隨著各種可穿戴設(shè)備的蓬勃發(fā)展，對于各種可穿戴傳感器的需求日益提升。這些傳感器可以貼合于身體也可以整合到衣物內(nèi)，使得運(yùn)動(dòng)員可以更好地監(jiān)測他們的運(yùn)動(dòng)，而理療專家可以用于幫助患者的康復(fù)，也可以幫助電腦游戲和動(dòng)畫做出精細(xì)的動(dòng)作捕獲，幫助工程師建立可以做柔和觸摸的機(jī)器人，或者形成一種新的實(shí)時(shí)健康監(jiān)測設(shè)備。
其實(shí)，想要精確的捕獲人體的運(yùn)動(dòng)是非常復(fù)雜的，我們的手、腳、身體的各個(gè)部分、面部表情等，很多時(shí)候存在著復(fù)雜的彎曲和形變。目前，也存在非常好的電子應(yīng)變傳感器，但是它們往往會受到外部電磁場的影響和限制。
光纖傳感器可以很好的避免上述的影響。光纖傳感器早已問世，在很多時(shí)候已經(jīng)應(yīng)用于測量建筑物和橋梁，當(dāng)光纖彎曲時(shí)，光穿過它將受到影響。光纖傳感器可以測量這樣的變化，然后通過計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成影響橋梁和建筑物的力。但是，目前的光纖傳感器材質(zhì)通常是玻璃或者脆性的塑料，幾度的形變就會造成它們的損傷，這使得原有的光纖傳感器很難應(yīng)用于可穿戴設(shè)備。
來自清華大學(xué)精密測量技術(shù)和儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Changxi Yang團(tuán)隊(duì)在《Optica》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究，首次演示了一種有彈性的光纖，能夠?qū)θ梭w大范圍的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行傳感。
這種新型光纖既靈敏又有彈性，可以檢測關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，這與目前使用的光纖傳感器有所不同。Yang說:“這項(xiàng)新技術(shù)為測量極其巨大的變形提供了一種光纖方法。它可穿戴，可安裝，也具有光學(xué)纖維固有的優(yōu)點(diǎn)，如固有的電氣安全性和對電磁干擾的免疫力。”
拉伸的難題
傳統(tǒng)的光學(xué)纖維并不是人體傳感的最佳選擇，因?yàn)樗鼈兺ǔＪ怯脠?jiān)硬的塑料或玻璃制成的，它們堅(jiān)硬并且具有脆性，不容易彎曲，例如，硅玻璃纖維可以承受最大的不超過1%的應(yīng)變，而彎曲的手指關(guān)節(jié)則會變形超過30%。顯然，這樣的光纖難以適用于柔韌且復(fù)雜的人體形變。
這一障礙意味著迄今為止大多數(shù)可穿戴傳感器的開發(fā)都是基于電子傳感器。這些傳感器通過測量傳感器彎曲時(shí)的電阻等電氣性能的變化來檢測運(yùn)動(dòng)。然而，這些系統(tǒng)很難小型化，會失去電荷，對汽車和手機(jī)等設(shè)備的電磁干擾很敏感。
而一種可彎曲的光纖則可以很好地避免這些問題，并可能創(chuàng)造出比電子產(chǎn)品更穩(wěn)定、更可持續(xù)的可穿戴設(shè)備。
材料的篩選
研究人員開始尋找一種纖維，它要可以承受人體運(yùn)動(dòng)的彎曲和伸展。他們首先嘗試用水凝膠制成的纖維，眾所周知水凝膠是一種柔軟的膠狀物質(zhì)，它可以承受高達(dá)700%的應(yīng)變。但是水凝膠主要由水組成，因此只能在潮濕的環(huán)境中工作。當(dāng)暴露在空氣中時(shí)，纖維迅速干燥收縮，這個(gè)特點(diǎn)限制了水凝膠作為光纖的材料。
在第二次嘗試中，Yang和他的學(xué)生Jingjing Guo 和Mengxuan Niu，共同開發(fā)了一種由硅制成的纖維，是一種叫做聚二甲基硅氧烷(PDMS)的軟聚合物。他們通過將液體硅膠成管狀模具加熱到80℃40分鐘，然后使用水壓力推動(dòng)纖維模具的一端制造了纖維。他們通過一系列精心設(shè)計(jì)的測試，如反復(fù)拉伸，使纖維長度加倍。即使在500個(gè)拉伸之后，PDMS纖維仍然恢復(fù)到原來的長度。
“我們所制造的PDMS纖維具有很好的機(jī)械柔韌性，很容易被捆綁和扭曲，”Yang說。更重要的是，當(dāng)團(tuán)隊(duì)減少了纖維的直徑，從2毫米到0.5毫米，纖維的機(jī)械強(qiáng)度實(shí)際上增加了。
為了使得硅膠纖維具有傳感功能，研究人員將一種叫做羅丹明B的熒光染料混入硅膠中。當(dāng)光線穿過纖維時(shí)，一些光被染料吸收——纖維拉伸的越多，染料吸收的光就越多。所以簡單地用分光鏡測量透射光，就能測量出纖維被拉伸或彎曲的程度，這樣它就可以反映出任何它所貼附的身體部位的運(yùn)動(dòng)情況。
手套測試
研究人員為了測試這個(gè)硅膠光纖是否能夠如預(yù)想的一般有效，他們通過環(huán)氧樹脂將纖維粘在橡膠手套上，然后穿著者彎曲和伸展手指來監(jiān)測它。在這一過程中，他們測量了作用于纖維的應(yīng)變?yōu)?6%，與其他使用電子傳感器測量的結(jié)果一致。
這種傳感器在面對更多細(xì)微壓力的情況下也表現(xiàn)得很好，比如當(dāng)一個(gè)人呼吸或說話時(shí)頸部肌肉的微小運(yùn)動(dòng)。“所有的結(jié)果表明，光學(xué)應(yīng)變傳感器可以用來監(jiān)測各種人類運(yùn)動(dòng)，并可能為人機(jī)界面的探索提供一種新的方法，”Yang說。