《Advanced Science》：A Strain Decoupling Packaging Strategy for High-Fidelity Ultrathin Silicon Shape Sensors for Soft Medical Robotics
编辑推荐：
这篇文章综述了一种创新性的油润滑滑动（OLS）封装策略，旨在解决软体医疗机器人中使用的超薄硅（Si）压阻式形状传感器所面临的封装难题。传统的层压（laminated）和嵌入（embedded）封装会向脆性传感元件传递过多应力，导致器件失效。本文提出的OLS设计采用双层热熔聚氨酯（HMS）薄膜形成密封腔，并填充硅油（silicone oil），使传感元件能在封装内自由滑动，从而机械性地将传感元件与外部拉伸和弯曲应变解耦。该策略实现了高保真的形状传感，使传感器在大至20%的施加应变下仍能保持稳定信号，并具备快速响应（<0.40 s）、低滞后（~3%）、以及在2 mm弯曲半径下超过10，000次循环的卓越耐久性。研究成功将传感器集成至柔性内窥镜中，实现了在连续360°单向弯曲下的精确形状检测，为复杂三维感知提供了可靠的解决方案，有望推动柔性电子系统在医疗机器人领域的实际应用。
在软体医疗机器人领域，可靠的软体传感器对于实现精确控制、实时反馈和安全操作至关重要。其中，超薄硅（Si）压阻式传感器以其灵活性、耐久性和高灵敏度展现出巨大潜力。然而，如何在保持柔性的同时有效保护其免受外部应力影响，一直是严峻挑战。现有的层压（laminated）和嵌入（embedded）封装策略常因损害灵活性或引入过大应变而导致器件失效。
为了攻克这一难题，研究团队提出了一种创新的油润滑滑动（Oil-Lubricated Slidable， OLS）封装方法。该方法的核心在于，通过一种双层柔性薄膜结构，将超薄硅基传感元件机械性地隔离于封装内部。具体而言，该设计使用两层可拉伸的热熔聚氨酯（HMS）薄膜形成一个密封腔，内部填充低粘度硅油（silicone oil），使传感元件能够几乎无摩擦地在腔内自由滑动。这种“滑动至机械隔离”的机制，成功地将传感元件与封装材料解耦，从而在外部机械负载下实现了接近于零的应变传递。
结构、制备与传感机理
该OLS封装结构的传感元件是一个5 μm厚的硅压阻计，键合在5 μm厚的聚酰亚胺（PI）基板上。封装制备流程包括传感元件的准备和后续的封装过程：首先将传感元件置于两层HMS薄膜之间，沿三边热封以固定结构；随后使用精密注射器注入定量的硅油；最后对剩余的一边施加热压进行密封，形成一个完全封闭且防漏的封装体。有限元分析（FEA）模拟表明，在弯曲条件下，OLS封装结构中的轴向应变分布在传感元件与封装薄膜界面处存在明显的不连续性，这验证了其有效的应变隔离能力。相比之下，传统刚性粘合结构的应变分布则是连续的，外部变形会直接传递至传感元件。
应变隔离行为与动态响应
研究团队制备并对比了层压、嵌入以及OLS三种封装策略的性能。在弯曲灵敏度测试中，OLS封装传感器表现出较低的灵敏度，这恰恰证实了其有效隔离传感元件应变的能力。更重要的是，在高达20%的施加拉伸应变下，OLS封装传感器中的硅压阻计所经历的应变几乎可以忽略不计，而嵌入封装传感器的硅计应变则高达~0.21%，层压封装则因脆性断裂而失效。这一结果凸显了OLS设计在保护脆性硅器件免受大应变影响方面的卓越性能。此外，当传感器附着于发生屈曲的刚性薄片表面时，OLS传感器能准确测量弯曲半径，其输出结果与基于欧拉屈曲理论的计算值高度吻合，而嵌入传感器则因表面应变直接传递而给出错误信号。
动态性能测试进一步展示了OLS封装的优势。传感器的响应时间在弯曲至45°和90°时分别为0.37秒和0.39秒，表现出快速稳定的响应特性。其滞回比（hysteresis ratio）低至约3%，远优于嵌入结构，这对于动态角度检测和结构变形监测应用至关重要。耐久性测试表明，即使在2 mm的极小弯曲半径下进行超过10，000次的循环弯曲，传感器仍能保持高度稳定的电阻响应，未出现明显的性能退化或漂移，证明了其杰出的机械鲁棒性和长期可靠性。
内窥镜设备中的形状传感
为了验证其临床实用性，研究将OLS封装传感器成功集成到一款柔性胃镜系统的插入管远端。通过预制的蛇形可拉伸导线连接信号，并使用预拉伸的Ecoflex薄膜作为外层，将整个传感器组件保形地附着在内窥镜表面，总横截面直径保持在约6 mm，未损害内窥镜的操作灵活性。校准实验显示，传感器电阻变化与弯曲角度在-180°到+180°的全角度范围内呈现极强的线性相关性（R2~ 0.99）。在人体胃模型中进行导航演示时，传感器输出的实时电阻信号准确反映了内窥镜远端在不同胃部区域（如正常胃壁、穿孔性胃溃疡、出血性溃疡、萎缩性胃炎部位）的弯曲角度（例如~30°， ~45°， ~80°， ~60°）。这为医生提供了精确、定量的形状感知反馈，有望提高手术操作的精确性并降低患者风险。
此外，传感器在模拟人体环境下的测试中表现出良好的环境稳定性。在90%相对湿度、37°C和45°C温度下，其机电响应保持高度线性与可重复性。在人工汗液和酸性溶液（pH ≈ 1）中浸泡后，传感器的实时电阻信号稳定，后续的弯曲测试也未显示出灵敏度或线性度的明显损失。
结论
总而言之，这项研究提出的OLS封装策略为软体医疗机器人中的高保真形状传感提供了一种有效的解决方案。它通过硅油润滑层机械隔离了超薄硅基传感元件，使其免受拉伸和压缩应力的影响，从而成功解耦了弯曲和拉伸变形。与需要精确定位传感元件于中性轴的传统封装不同，OLS设计移除了这一限制，同时为脆性硅器件提供了坚固的结构保护。该封装使传感器能在20%的施加拉伸应变下实现精确的曲率检测，并具备快速响应、低滞回和超长耐久性。成功集成于柔性胃镜系统，实现了在连续360°弯曲下的实时稳定形状传感，展示了其在推动柔性内窥镜机器人发展、增强微创手术安全性与精确性方面的巨大潜力。
