發(fā)布日期：2017-10-18
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)，使得運動員可以更好地監(jiān)測他們的運動，而理療專家可以用于幫助患者的康復，也可以幫助電腦游戲和動畫做出精細的動作捕獲，幫助工程師建立可以做柔和觸摸的機器人，或者形成一種新的實時健康監(jiān)測設(shè)備。
其實，想要精確的捕獲人體的運動是非常復雜的，我們的手、腳、身體的各個部分、面部表情等，很多時候存在著復雜的彎曲和形變。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，在很多時候已經(jīng)應(yīng)用于測量建筑物和橋梁，當光纖彎曲時，光穿過它將受到影響。光纖傳感器可以測量這樣的變化，然后通過計算機將數(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。
來自清華大學精密測量技術(shù)和儀器國家重點實驗室的Changxi Yang團隊在《Optica》雜志上發(fā)表了一項研究，首次演示了一種有彈性的光纖，能夠?qū)θ梭w大范圍的運動進行傳感。
圖片來源：medgadet
這種新型光纖既靈敏又有彈性，可以檢測關(guān)節(jié)的運動，這與目前使用的光纖傳感器有所不同。Yang說:“這項新技術(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，也具有光學纖維固有的優(yōu)點，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)的光學纖維并不是人體傳感的最佳選擇，因為它們通常是用堅硬的塑料或玻璃制成的，它們堅硬并且具有脆性，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的電阻等電氣性能的變化來檢測運動。然而，這些系統(tǒng)很難小型化，會失去電荷，對汽車和手機等設(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動的彎曲和伸展。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。當暴露在空氣中時，纖維迅速干燥收縮，這個特點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纖維模具的一端制造了纖維。他們通過一系列精心設(shè)計的測試，如反復拉伸，使纖維長度加倍。即使在500個拉伸之后，PDMS纖維仍然恢復到原來的長度。
“我們所制造的PDMS纖維具有很好的機械柔韌性，很容易被捆綁和扭曲，”Yang說。更重要的是，當團隊減少了纖維的直徑，從2毫米到0.5毫米，纖維的機械強度實際上增加了。
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。當光線穿過纖維時，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動情況。
手套測試
研究人員為了測試這個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微壓力的情況下也表現(xiàn)得很好，比如當一個人呼吸或說話時頸部肌肉的微小運動。“所有的結(jié)果表明，光學應(yīng)變傳感器可以用來監(jiān)測各種人類運動，并可能為人機界面的探索提供一種新的方法，”Yang說。
參考資料
[1]In a first for wearable optics,researchers develop stretchy fiber to capture body motion
[2]Highly Stretchable and FlexibleFiber Optic Measures Tiny Changes in Body Movements
來源：康健新視野（微信號 HealthHorizon）
