隨著國際關注熱點逐漸傾向于未來的可穿戴技術，可以實時測量應變（如身體的運動）的傳感器已經(jīng)成為一種熱門商品。但是，找出能夠經(jīng)得起較大應變的光學傳感器，例如測量彎曲的肘部或者緊握的拳頭，已變成一個棘手的問題。
由美國光學學會（OSA）成員楊昌喜領導的清華大學的研究團隊，現(xiàn)在已經(jīng)給出了一個解決方案：一種由有機硅聚合物制成的光纖傳感器，能夠承受和檢測伸長率達100％的形變，并且能毫不費力的回到原始狀態(tài)并繼續(xù)重復使用。 (Optica,doi: 10.1364/OPTICA.4.001285)
材料問題
目前，應用在可穿戴技術設計中的這種應變傳感器往往需將其設計為電子器件：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檢測應變。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題，使其難以真正實用化。
光學應變傳感器——特別是基于光纖的傳感器，它們具有較長的譜系，可以用作橋梁、油田和其他基礎設施檢測的應變傳感器。在這樣的設施中，嵌入式光纖可以用來測量長距離的微小溫度和應變變化。但是，傳統(tǒng)的剛性玻璃和塑料纖維不具備任何柔性，不能用于可穿戴應變傳感器，例如，手指關節(jié)的彎曲就會導致超過30％的應變。
大約一年前，楊昌喜與美國麻省理工學院和哈佛大學的研究人員合作，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題。水凝膠光纖被證明具有高彈性，可復原高達700％的巨大應變，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等。但水凝膠光纖不適用于可穿戴技術，因為當其暴露在空氣中時，會變干和變質(zhì)。
有機硅材料途徑
現(xiàn)在，清華研究人員針對可穿戴光學應變傳感器已經(jīng)采取了另一個研究途徑：由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的光纖，這是一種柔軟的、可伸縮的有機硅彈性體，已經(jīng)成為可伸縮電子產(chǎn)品的常見基底。該團隊通過在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波長的羅丹明B染料分子。因為光纖拉伸時直徑縮小，使其總體積保持不變，所以光纖拉伸時會增加光通過染料摻雜光纖的光程。這又可以反過來讀取與光纖中應變量相關的透射光譜的衰減量。
在測試中，楊的團隊發(fā)現(xiàn)，直徑為0.5毫米、長度為4厘米的光纖，可以承受近100%的應變，即使在500次循環(huán)后也能迅速回到原始狀態(tài)且長度不變。為了現(xiàn)場檢測光纖實際承受應變的能力，研究人員將環(huán)氧樹脂短光纖連接到兩個二氧化硅多模光纖上，并測量了白光信號的衰減譜，作為柔性部分經(jīng)受的各種應變。研究小組發(fā)現(xiàn)，重復測量時傳感器測量的應變誤差小于0.6％，光纖的彎曲并沒有減小應變傳感器的能力。
從手指運動到深呼吸的人體運動檢測
為了強調(diào)這種材料在可穿戴技術領域的潛力，研究人員甚至將傳感器用于橡膠手套中，并證明了其對手指運動的敏感性——作者堅持認為，這是我們所了解的第一份使用光學傳感器進行人體運動檢測的報告。研究人員還將傳感器安裝在實驗室志愿者的頸部，并努力找出與呼吸相關的細微應變的強烈信號，這展示了該材料的另一種應用。
該團隊認為，這種材料“可能會在穿戴式智能設備中廣泛應用，特別是關于人體運動的檢測”。
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