21/08/2023
Door Ad Spijkers
Onderzoekers uit Singapore keken naar een lotusblad en ontwikkelden een nieuwe manier om druk te detecteren.
Onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) hebben een nieuwe aero-elastische druksensor ontwikkeld, genaamd ‘eAir’. Deze kan worden toegepast op minimaal invasieve operaties en implanteerbare sensoren en vermijdt problemen die gepaard gaan met bestaande druksensoren.
De eAir-sensor belooft meer precisie en betrouwbaarheid bij medische toepassingen. Het kan kijkoperaties mogelijk transformeren door tactiele terugkoppeling voor chirurgen mogelijk te maken, waardoor weefsels van patiënten nauwkeuriger kunnen worden gemanipuleerd. Bovendien kan de sensor een minder invasieve manier bieden voor het bewaken van de intracraniale druk (ICP, druk in de hersenen), een belangrijke gezondheidsmaatstaf voor personen met neurologische aandoeningen.
Van lotusblad tot laboratorium
Conventionele druksensoren hebben vaak moeite met het leveren van consistente metingen. Ze kunnen wisselende resultaten geven wanneer dezelfde druk herhaaldelijk wordt uitgeoefend. Ook kunnen ze subtiele drukveranderingen over het hoofd zien. Deze onnauwkeurigheden kunnen allemaal tot ernstige fouten leiden. Deze sensoren zijn meestal gemaakt van stijve materialen.
Om deze uitdagingen op het gebied van drukdetectie aan te pakken, liet het NUS-team zich inspireren door een fenomeen dat bekend staat als het 'lotusbladeffect'. Dit is een natuurlijk fenomeen waarbij waterdruppels moeiteloos van het bladoppervlak rollen. Dit wordt mogelijk gemaakt door minuscule, waterafstotende structuren.
Om dit effect na te bootsen, heeft het team een nieuwe druksensor ontwikkeld die de detectieprestaties aanzienlijk verbetert. De sensor is vergelijkbaar met een miniatuur 'capaciteitsmeter' en kan minieme drukveranderingen detecteren. Het is een weerspiegeling van de gevoeligheid van een lotusblad voor de extreem lichte aanraking van een waterdruppel.
Luchtveer
Door gebruik te maken van een innovatief 'luchtveer'-ontwerp, herbergt de eAir-sensor een ingesloten luchtlaag. Bij contact van de vloeistof met de sensor vormt deze een lucht-vloeistof-interface. Naarmate de externe druk toeneemt, wordt deze luchtlaag samengedrukt. Een oppervlaktebehandeling resulteert in een wrijvingsloze beweging van de interface binnen de sensor. Dit veroorzaakt een verandering in elektrische signalen die de uitgeoefende druk nauwkeurig weergeeft.
Met dit ontwerp zijn de natuurlijke waterafstotende eigenschappen van het lotusblad opnieuw bedacht als een eenvoudig maar elegant drukgevoelig hulpmiddel. De eAir-apparaten kunnen relatief klein worden gemaakt - enkele millimeters groot - en vergelijkbaar met bestaande druksensoren.
De toepassingen van deze nieuwe technologie in de praktijk zijn breed. Bij minimaal invasieve operaties is nauwkeurige tactiele terugkoppeling onmisbaar. Het gebruik van eAir-sensoren kan bijvoorbeeld leiden tot veiligere chirurgische procedures, waardoor uiteindelijk het herstel van en de prognose voor de patiënt worden verbeterd.
Minimaal invasieve operaties
Wanneer chirurgen minimaal invasieve chirurgie uitvoeren, zoals kijkoperaties of robotchirurgie, kunnen ze de vingers van de grijpers controleren, maar ze kunnen niet voelen wat de eindeffectoren vastgrijpen. Ze moeten vertrouwen op hun gezichtsvermogen en jarenlange ervaring om een oordeel te vellen over kritieke informatie die hun tastzintuig anders zou kunnen verschaffen.
Informatie of een weefsel hard, stevig of zacht is, vormt bijvoorbeeld een aanvullende en belangrijke bron van informatie om chirurgen te helpen bij het nemen van verstandige beslissingen tijdens een operatie. Uiteindelijk kan dit leiden tot verbeterde chirurgische en patiëntresultaten.
Bovendien biedt eAir een mogelijkheid om het proces van het bewaken van de intracraniale druk te verbeteren. Ook kan de technologie de ervaringen van patiënten bij de behandeling van hersen-gerelateerde aandoeningen, variërend van ernstige hoofdpijn tot mogelijke hersenbeschadiging, transformeren.
De toekomst
Het team in Singapore legt de basis voor samenwerkingen met belangrijke spelers op medisch gebied. Tegelijkertijd hebben ze octrooi aangevraagd voor de eAir-sensortechnologie en willen ze de technologie vertalen naar toepassingen in de praktijk. Ze willen de eAir-sensor verder verfijnen om de prestaties te verbeteren door verschillende nieuwe materialen en microstructurele ontwerpen te verkennen. Het team stelt zich voor dat de eAir-technologie wordt verweven in een divers scala aan toepassingen voor vloeibare omgevingen.
De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Foto: National University of Singapore