美国麻省理工工程师开发出可变色光纤传感器

[2018/6/12]

  压迫绷带通常用于向患者的肢体施加压力以改善血流量并使患者肢体的肿胀减轻。根据不同的条件需要施加不同大小的压力，但目前还没有一种可靠的方法可用于测量压迫治疗过程中需要施加的压力大小。日前，来自美国麻省理工学院的一个研究小组设计了一种仿生光学机械纤维，该纤维能够根据压力应变而改变颜色，并且能够用作压缩绷带中的压力传感器。

  麻省理工学院研制的光电子仿生纤维的颜色取决于光线如何在其内部的周期性结构中发射，通过改变纤维的形状如对其进行拉伸，以可预测的方式调整光纤的颜色。该研究团队认为，其开发的可拉伸光学机械纤维将在今后成为标准压缩绷带，这使得医疗服务提供商能够更容易地为病人的特定情况提供最佳压力。

  研究人员表示，目前自然界中发现的结构颜色不是用染料或颜料制成的，相反，结构颜色的起因是由于材料中纳米结构在不同波长下散射光的干涉造成的。干涉的光进入观察者眼中成为一种颜色的光，其颜色能够根据视角或响应材料形状的变化而发生改变。

  麻省理工学院的研究团队将自然产生的结构色的应用于开发压力传感光机械纤维的设计。纤维由聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚苯乙烯聚异戊二烯三嵌段聚合物(PSPI)的两层薄而透明聚合物组成的周期性结构，在黑色聚二甲基硅氧烷纤芯周围堆叠30～60次，其生成的纤维厚度约为人头发丝直径的10倍。其中由PDMS/PSPI堆叠而成的周期性结构充当布拉格反射器，能够强烈地反射窄波长范围内的可见光。

  从周期性堆叠的光纤反射的光的颜色取决于每层的纳米结构。当纤维拉伸时，纤维层的周期数减小，这将纤维的颜色从红色(无应变)依次改变为橙色、黄色、绿色、最后是蓝色(最大应变)。研究人员指出，有可能设计具有不同反射峰的纤维，以制成一种压力敏感纤维，随着应变压力的增加，其颜色从蓝色变为红色。

  研究人员通过测量纤维光学机械性能的定量测试表明，该仿生纤维能够被拉伸到其初始长度的两倍以上，并且在经过10000次的拉伸循环后，该纤维仍然产生一致且十分显眼的颜色。

  为了演示压迫治疗过程中的压力感应，麻省理工学院的研究人员沿着标准压缩绷带的长度缝合了一种可拉伸的光学机械纤维。他们还制作了一张图表，将纤维的颜色与绷带产生的压力量相匹配。

  研究人员邀请了12名未受过训练的学生志愿者被用于测试光电子仿生压迫绷带的有效性。他们为学生志愿者们提供了两种常用的压迫绷带系统，以及麻省理工学院的光电子压迫绷带及其制作的颜色图表。该演示的结果表明，使用光电子压迫绷带和彩色图表的学生比使用其他两种传统压迫绷带系统时更容易施加最佳压力。

  虽然这项初步研究的结果令人鼓舞，但研究人员表示，他们需要找到一种性价比更高的方式来生产其光电子纤维绷带，以使其适用于医用纺织品。

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