可穿戴彈性光纖，精密跟蹤身體的運動
隨著各種可穿戴設備的蓬勃發展，對於各種可穿戴感測器的需求日益提升。這些感測器可以貼合於身體也可以整合到衣物內，使得運動員可以更好地監測他們的運動，而理療專家可以用於幫助患者的康復，也可以幫助電腦遊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測設備。
其實，想要精確的捕獲人體的運動是非常複雜的，我們的手、腳、身體的各個部分、面部表情等，很多時候存在著複雜的彎曲和形變。目前，也存在非常好的電子應變感測器，但是它們往往會受到外部電磁場的影響和限制。
光纖感測器可以很好的避免上述的影響。光纖感測器早已問世，在很多時候已經應用於測量建築物和橋樑，當光纖彎曲時，光穿過它將受到影響。光纖感測器可以測量這樣的變化，然後通過計算機將數據轉換成影響橋樑和建築物的力。但是，目前的光纖感測器材質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，這使得原有的光纖感測器很難應用於可穿戴設備。
來自清華大學精密測量技術和儀器國家重點實驗室的Changxi Yang團隊在《Optica》雜誌上發表了一項研究，首次演示了一種有彈性的光纖，能夠對人體大範圍的運動進行感測。
圖片來源：medgadet
這種新型光纖既靈敏又有彈性，可以檢測關節的運動，這與目前使用的光纖感測器有所不同。Yang說:「這項新技術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
傳統的光學纖維並不是人體感測的最佳選擇，因為它們通常是用堅硬的塑料或玻璃製成的，它們堅硬並且具有脆性，不容易彎曲，例如，硅玻璃纖維可以承受最大的不超過1%的應變，而彎曲的手指關節則會變形超過30%。顯然，這樣的光纖難以適用於柔韌且複雜的人體形變。
這一障礙意味著迄今為止大多數可穿戴感測器的開發都是基於電子感測器。這些感測器通過測量感測器彎曲時的電阻等電氣性能的變化來檢測運動。然而，這些系統很難小型化，會失去電荷，對汽車和手機等設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，並可能創造出比電子產品更穩定、更可持續的可穿戴設備。
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製成的纖維，眾所周知水凝膠是一種柔軟的膠狀物質，它可以承受高達700%的應變。但是水凝膠主要由水組成，因此只能在潮濕的環境中工作。當暴露在空氣中時，纖維迅速乾燥收縮，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，共同開發了一種由硅製成的纖維，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，然後使用水壓力推動纖維模具的一端製造了纖維。他們通過一系列精心設計的測試，如反覆拉伸，使纖維長度加倍。即使在500個拉伸之後，PDMS纖維仍然恢復到原來的長度。
「我們所製造的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感測功能，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想的一般有效，他們通過環氧樹脂將纖維粘在橡膠手套上，然後穿著者彎曲和伸展手指來監測它。在這一過程中，他們測量了作用於纖維的應變為36%，與其他使用電子感測器測量的結果一致。
這種感測器在面對更多細微壓力的情況下也表現得很好，比如當一個人呼吸或說話時頸部肌肉的微小運動。「所有的結果表明，光學應變感測器可以用來監測各種人類運動，並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
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