隨著國(guó)際關(guān)注熱點(diǎn)逐漸傾向于未來(lái)的可穿戴技術(shù)，可以實(shí)時(shí)測(cè)量應(yīng)變（如身體的運(yùn)動(dòng)）的傳感器已經(jīng)成為一種熱門(mén)商品。但是，找出能夠經(jīng)得起較大應(yīng)變的光學(xué)傳感器，例如測(cè)量彎曲的肘部或者緊握的拳頭，已變成一個(gè)棘手的問(wèn)題。
由美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)（OSA）成員楊昌喜領(lǐng)導(dǎo)的清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)，現(xiàn)在已經(jīng)給出了一個(gè)解決方案：一種由有機(jī)硅聚合物制成的光纖傳感器，能夠承受和檢測(cè)伸長(zhǎng)率達(dá)100％的形變，并且能毫不費(fèi)力的回到原始狀態(tài)并繼續(xù)重復(fù)使用。 (Optica,doi: 10.1364/OPTICA.4.001285)
材料問(wèn)題
目前，應(yīng)用在可穿戴技術(shù)設(shè)計(jì)中的這種應(yīng)變傳感器往往需將其設(shè)計(jì)為電子器件：石墨烯、碳納米管或基于納米光纖的小工具，可以根據(jù)電阻或電容的變化來(lái)檢測(cè)應(yīng)變。雖然這些傳感器成本低、靈敏度高，但由于難以微型化、易發(fā)生電流泄漏以及遭受外界電磁噪聲干擾和其他問(wèn)題，使其難以真正實(shí)用化。
光學(xué)應(yīng)變傳感器——特別是基于光纖的傳感器，它們具有較長(zhǎng)的譜系，可以用作橋梁、油田和其他基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)的應(yīng)變傳感器。在這樣的設(shè)施中，嵌入式光纖可以用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)距離的微小溫度和應(yīng)變變化。但是，傳統(tǒng)的剛性玻璃和塑料纖維不具備任何柔性，不能用于可穿戴應(yīng)變傳感器，例如，手指關(guān)節(jié)的彎曲就會(huì)導(dǎo)致超過(guò)30％的應(yīng)變。
大約一年前，楊昌喜與美國(guó)麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的研究人員合作，展示了一種由水凝膠高分子聚合物制成的可伸縮光纖，解決了其中的一些問(wèn)題。水凝膠光纖被證明具有高彈性，可復(fù)原高達(dá)700％的巨大應(yīng)變，并且它作為生物相容性的材料，有望用于如可植入傳感器和診斷學(xué)等。但水凝膠光纖不適用于可穿戴技術(shù)，因?yàn)楫?dāng)其暴露在空氣中時(shí)，會(huì)變干和變質(zhì)。
有機(jī)硅材料途徑
現(xiàn)在，清華研究人員針對(duì)可穿戴光學(xué)應(yīng)變傳感器已經(jīng)采取了另一個(gè)研究途徑：由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的光纖，這是一種柔軟的、可伸縮的有機(jī)硅彈性體，已經(jīng)成為可伸縮電子產(chǎn)品的常見(jiàn)基底。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在80℃的管狀模具中制備液體硅氧烷溶液，并且在光纖中摻雜了光吸收主要依賴(lài)波長(zhǎng)的羅丹明B染料分子。因?yàn)楣饫w拉伸時(shí)直徑縮小，使其總體積保持不變，所以光纖拉伸時(shí)會(huì)增加光通過(guò)染料摻雜光纖的光程。這又可以反過(guò)來(lái)讀取與光纖中應(yīng)變量相關(guān)的透射光譜的衰減量。
在測(cè)試中，楊的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，直徑為0.5毫米、長(zhǎng)度為4厘米的光纖，可以承受近100%的應(yīng)變，即使在500次循環(huán)后也能迅速回到原始狀態(tài)且長(zhǎng)度不變。為了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)光纖實(shí)際承受應(yīng)變的能力，研究人員將環(huán)氧樹(shù)脂短光纖連接到兩個(gè)二氧化硅多模光纖上，并測(cè)量了白光信號(hào)的衰減譜，作為柔性部分經(jīng)受的各種應(yīng)變。研究小組發(fā)現(xiàn)，重復(fù)測(cè)量時(shí)傳感器測(cè)量的應(yīng)變誤差小于0.6％，光纖的彎曲并沒(méi)有減小應(yīng)變傳感器的能力。
從手指運(yùn)動(dòng)到深呼吸的人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)
為了強(qiáng)調(diào)這種材料在可穿戴技術(shù)領(lǐng)域的潛力，研究人員甚至將傳感器用于橡膠手套中，并證明了其對(duì)手指運(yùn)動(dòng)的敏感性——作者堅(jiān)持認(rèn)為，這是我們所了解的第一份使用光學(xué)傳感器進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的報(bào)告。研究人員還將傳感器安裝在實(shí)驗(yàn)室志愿者的頸部，并努力找出與呼吸相關(guān)的細(xì)微應(yīng)變的強(qiáng)烈信號(hào)，這展示了該材料的另一種應(yīng)用。
該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種材料“可能會(huì)在穿戴式智能設(shè)備中廣泛應(yīng)用，特別是關(guān)于人體運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)”。
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