隨著國際關(guān)注熱點逐漸傾向于未來的可穿戴技術(shù)，可以實時測量應(yīng)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(yīng)變的光學(xué)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(xué)學(xué)會（OSA）成員楊昌喜領(lǐng)導(dǎo)的清華大學(xué)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(fù)使用。 (Optica,doi: 10.1364/OPTICA.4.001285)
材料問題
目前，應(yīng)用在可穿戴技術(shù)設(shè)計中的這種應(yīng)變傳感器往往需將其設(shè)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(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題，使其難以真正實用化。
光學(xué)應(yīng)變傳感器——特別是基于光纖的傳感器，它們具有較長的譜系，可以用作橋梁、油田和其他基礎(chǔ)設(shè)施檢測的應(yīng)變傳感器。在這樣的設(shè)施中，嵌入式光纖可以用來測量長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)的彎曲就會導(dǎo)致超過30％的應(yīng)變。
大約一年前，楊昌喜與美國麻省理工學(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題。水凝膠光纖被證明具有高彈性，可復(fù)原高達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)，因為當(dāng)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(xué)應(yīng)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(yīng)變量相關(guān)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(yīng)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(yīng)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(yīng)變。研究小組發(fā)現(xiàn)，重復(fù)測量時傳感器測量的應(yīng)變誤差小于0.6％，光纖的彎曲并沒有減小應(yīng)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(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(xué)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(guān)的細微應(yīng)變的強烈信號，這展示了該材料的另一種應(yīng)用。
該團隊認為，這種材料“可能會在穿戴式智能設(shè)備中廣泛應(yīng)用，特別是關(guān)于人體運動的檢測”。
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