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光機械傳感器的仿生設計

 
研究人員表示，目前自然界中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構顏色不是用染料或顏料制成的，相反，結(jié)構顏色的起因是由于材料中納米結(jié)構在不同波長下散射光的干涉造成的。干涉的光進入觀察者眼中成為一種顏色的光，其顏色能夠根據(jù)視角或響應材料形狀的變化而發(fā)生改變。
 
麻省理工學院的研究團隊將自然產(chǎn)生的結(jié)構色的應用于開發(fā)壓力傳感光機械纖維的設計。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，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)構充當布拉格反射器，能夠強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。當纖維拉伸時，纖維層的周期數(shù)減小，這將纖維的顏色從紅色(無應變)依次改變?yōu)槌壬?、黃色、綠色、后是藍色(大應變)。研究人員指出，有可能設計具有不同反射峰的纖維，以制成一種壓力敏感纖維，隨著應變壓力的增加，其顏色從藍色變?yōu)榧t色。
 
研究人員通過測量纖維光學機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。
 
光纖傳感器的演示實驗
 
為了演示壓迫治療過程中的壓力感應，麻省理工學院的研究人員沿著標準壓縮繃帶的長度縫合了一種可拉伸的光學機械纖維。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名未受過訓練的學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生比使用其他兩種傳統(tǒng)壓迫繃帶系統(tǒng)時更容易施加壓力。