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美國麻省理工工程師開發(fā)出可變色光纖傳感器

[2018/6/12]

  壓迫繃帶通常用于向患者的肢體施加壓力以改善血流量并使患者肢體的腫脹減輕。根據(jù)不同的條件需要施加不同大小的壓力，但目前還沒有一種可靠的方法可用于測量壓迫治療過程中需要施加的壓力大小。日前，來自美國麻省理工學(xué)院的一個研究小組設(shè)計了一種仿生光學(xué)機(jī)械纖維，該纖維能夠根據(jù)壓力應(yīng)變而改變顏色，并且能夠用作壓縮繃帶中的壓力傳感器。

  麻省理工學(xué)院研制的光電子仿生纖維的顏色取決于光線如何在其內(nèi)部的周期性結(jié)構(gòu)中發(fā)射，通過改變纖維的形狀如對其進(jìn)行拉伸，以可預(yù)測的方式調(diào)整光纖的顏色。該研究團(tuán)隊認(rèn)為，其開發(fā)的可拉伸光學(xué)機(jī)械纖維將在今后成為標(biāo)準(zhǔn)壓縮繃帶，這使得醫(yī)療服務(wù)提供商能夠更容易地為病人的特定情況提供最佳壓力。

  研究人員表示，目前自然界中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)顏色不是用染料或顏料制成的，相反，結(jié)構(gòu)顏色的起因是由于材料中納米結(jié)構(gòu)在不同波長下散射光的干涉造成的。干涉的光進(jìn)入觀察者眼中成為一種顏色的光，其顏色能夠根據(jù)視角或響應(yīng)材料形狀的變化而發(fā)生改變。

  麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊將自然產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)色的應(yīng)用于開發(fā)壓力傳感光機(jī)械纖維的設(shè)計。纖維由聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚苯乙烯聚異戊二烯三嵌段聚合物(PSPI)的兩層薄而透明聚合物組成的周期性結(jié)構(gòu)，在黑色聚二甲基硅氧烷纖芯周圍堆疊30～60次，其生成的纖維厚度約為人頭發(fā)絲直徑的10倍。其中由PDMS/PSPI堆疊而成的周期性結(jié)構(gòu)充當(dāng)布拉格反射器，能夠強(qiáng)烈地反射窄波長范圍內(nèi)的可見光。

  從周期性堆疊的光纖反射的光的顏色取決于每層的納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)纖維拉伸時，纖維層的周期數(shù)減小，這將纖維的顏色從紅色(無應(yīng)變)依次改變?yōu)槌壬ⅫS色、綠色、最后是藍(lán)色(最大應(yīng)變)。研究人員指出，有可能設(shè)計具有不同反射峰的纖維，以制成一種壓力敏感纖維，隨著應(yīng)變壓力的增加，其顏色從藍(lán)色變?yōu)榧t色。

  研究人員通過測量纖維光學(xué)機(jī)械性能的定量測試表明，該仿生纖維能夠被拉伸到其初始長度的兩倍以上，并且在經(jīng)過10000次的拉伸循環(huán)后，該纖維仍然產(chǎn)生一致且十分顯眼的顏色。

  為了演示壓迫治療過程中的壓力感應(yīng)，麻省理工學(xué)院的研究人員沿著標(biāo)準(zhǔn)壓縮繃帶的長度縫合了一種可拉伸的光學(xué)機(jī)械纖維。他們還制作了一張圖表，將纖維的顏色與繃帶產(chǎn)生的壓力量相匹配。

  研究人員邀請了12名未受過訓(xùn)練的學(xué)生志愿者被用于測試光電子仿生壓迫繃帶的有效性。他們?yōu)閷W(xué)生志愿者們提供了兩種常用的壓迫繃帶系統(tǒng)，以及麻省理工學(xué)院的光電子壓迫繃帶及其制作的顏色圖表。該演示的結(jié)果表明，使用光電子壓迫繃帶和彩色圖表的學(xué)生比使用其他兩種傳統(tǒng)壓迫繃帶系統(tǒng)時更容易施加最佳壓力。

  雖然這項初步研究的結(jié)果令人鼓舞，但研究人員表示，他們需要找到一種性價比更高的方式來生產(chǎn)其光電子纖維繃帶，以使其適用于醫(yī)用紡織品。