文章指南
近日，南京大學(xué)盧彥清教授與華中科技大學(xué)陶光明教授合作，在可穿戴多色交互光致變色纖維領(lǐng)域取得新進(jìn)展。基于批量生產(chǎn)的多材料纖維預(yù)制件熱拉法，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高柔韌性、均勻發(fā)光和寬色域控制的光致變色纖維。因?yàn)槭袌?chǎng)上引進(jìn)的波導(dǎo)基發(fā)光光纖，通過引入人為的結(jié)構(gòu)缺陷來破壞光纖的全反射條件，使光纖漏光，無法保證傳輸方向的發(fā)光均勻性。該團(tuán)隊(duì)在聚合物纖維的基礎(chǔ)上引入熒光材料來調(diào)節(jié)纖維的外部輻射光譜，同時(shí)利用熒光材料的飽和效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)纖維的均勻發(fā)光。研究團(tuán)隊(duì)還通過對(duì)光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于RGB三色混合機(jī)制的單纖寬色域控制。最后，研究團(tuán)隊(duì)將可控光致變色纖維集成到多種可穿戴交互界面中，通過日常服裝實(shí)現(xiàn)情感和溝通的多樣化交互，為人機(jī)交互提供了一種新的方式。有望在通信、導(dǎo)航、醫(yī)療保健、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域?yàn)槿祟惿罘绞綆硇碌淖兓?span style="display:none">rcC物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
視頻 1：本研究中可穿戴、多色交互式光致變色纖維的整體概述
背景
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纖維作為人類歷史上應(yīng)用最廣泛的可穿戴材料，因其優(yōu)異的透氣性和柔韌性，能夠近乎完美地貼合人體的3D不規(guī)則形狀，是可穿戴設(shè)備的理想基材。夜光光纖作為功能光纖領(lǐng)域的交互和視覺手段，打破了傳統(tǒng)交互界面的剛性和剛性特性，有望成為一種新興的交互界面。已商業(yè)化的發(fā)光光纖是基于波導(dǎo)原理（術(shù)語解釋）的高分子光纖，它利用人為的結(jié)構(gòu)缺陷或材料缺陷來破壞光纖內(nèi)部光的全反射條件，導(dǎo)致光纖內(nèi)部的光泄漏。受光纖傳輸損耗的限制，光纖不能保證光亮在傳輸方向上的均勻性，又由于光纖圓周方向缺陷的不對(duì)稱性，不能保證光纖圓周亮度的一致性，這極大地限制了其作為線光源的應(yīng)用。受光致變色纖維和高分子纖維的啟發(fā)，該文提出了一種可穿戴的多色交互式光致變色纖維，該纖維可以通過基于熱拉法并聯(lián)設(shè)計(jì)纖維結(jié)構(gòu)來分批制備。
創(chuàng)新研究
（1）在工業(yè)級(jí)熱拔制備方法的基礎(chǔ)上，將多種功能材料集成到單根光纖中進(jìn)行一體成型，克服了現(xiàn)有波導(dǎo)發(fā)光光纖沿傳輸方向亮度不均勻的缺陷。
為了解決波導(dǎo)發(fā)光光纖透射方向發(fā)光不均勻的問題，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了光纖內(nèi)部的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使光纖內(nèi)部的紫外光得到充分反射，并利用光纖中集成的熒光復(fù)合材料的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)紫外波段向可見光波段的轉(zhuǎn)換， 并利用熒光復(fù)合材料的熒光飽和效應(yīng)，保證透射方向上的發(fā)光均勻性。研究人員通過理論計(jì)算分析了光纖結(jié)構(gòu)尺寸，得到了具有最佳光源耦合效應(yīng)的尺寸參數(shù)和損耗規(guī)律，并通過光線追蹤定量探究了不同紫外功率下光纖沿長(zhǎng)度方向的亮度變化趨勢(shì)，證明了光致變色光纖發(fā)光亮度的均勻性。團(tuán)隊(duì)基于工業(yè)熱拔工藝，在數(shù)百米的水平上進(jìn)行了大規(guī)模的光致變色纖維一次性制備，克服了傳統(tǒng)發(fā)光纖維制備周期長(zhǎng)、有效長(zhǎng)度短、研發(fā)成本高的缺點(diǎn)。
圖1：光致變色纖維的制造工藝。 a 光致變色纖維工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)線的物理示意圖。 b 光致變色纖維的制造示意圖，圖中顯示了光致變色纖維的物理照片。 c 本作品與商業(yè)產(chǎn)品（光擴(kuò)散光纖）之間透射方向的光衰減比較。
（2）打破傳統(tǒng)發(fā)光光纖的色彩限制，利用RGB的三原色混色機(jī)制實(shí)現(xiàn)單根光纖的廣色域控制。
得益于熱拔工藝對(duì)光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)控制，研究團(tuán)隊(duì)將多個(gè)導(dǎo)光芯和不同顏色的熒光材料封裝在單根光纖內(nèi)，通過模仿RGB三原色的混色原理，實(shí)現(xiàn)了單根光纖的多色控制。由于多芯光纖內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性，光纖的光譜輻射強(qiáng)度在圓周方向上向不同方向變化。根據(jù)不同的觀察角度，纖維的整體顯色性是不同的。基于視覺細(xì)胞的成像方法，研究人員從理論上計(jì)算了多芯光纖的周向輻射強(qiáng)度，并通過優(yōu)化多芯光纖包層的尺寸和導(dǎo)光芯的間距，優(yōu)化了纖維的周向觀測(cè)輻射色差，使觀測(cè)到的顏色在不同視角下盡可能一致。此外，研究人員利用多芯光纖內(nèi)部的多導(dǎo)光芯層可以分段控制的特點(diǎn)，通過調(diào)整耦合芯層的光源亮度比，光纖的顯色性達(dá)到了更寬的色域范圍。
圖2：多色光致變色纖維的發(fā)光特性。 從人眼看多芯光致變色光纖的示意圖。 b 從0°到360°以30°的增量測(cè)量多色光致變色纖維的圓周光譜。c x 和 y 色度坐標(biāo)與視角之間的關(guān)系。通過調(diào)節(jié)不同光導(dǎo)磁芯的光功率來控制 D x 和 y 色度坐標(biāo)。色度三角形由紅核、綠核和藍(lán)核耦合光源的功率比組成，頂點(diǎn)坐標(biāo)從上到下分別為 （0.217，0.507）、（0.496， 0.304） 和 （0.186， 0.128）。通過混合具有不同功率比的光源，光致變色光纖可以實(shí)現(xiàn)三角形內(nèi)的所有色度值
（3）直接融入日常服裝，通過調(diào)整自身織造圖案和發(fā)光亮度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息交互顯示。
由于光致變色纖維優(yōu)異的生產(chǎn)效率，可以很好地滿足紡織品工業(yè)化生產(chǎn)的大規(guī)模供應(yīng)需求，并且作為一種纖維成型器件，可以直接縫制和織布在各種日常服裝上，為實(shí)現(xiàn)柔性可穿戴交互界面提供了新途徑。
圖3：光致變色纖維體系應(yīng)用場(chǎng)景
這
研究團(tuán)隊(duì)將穩(wěn)定電容傳感紗與導(dǎo)光變色纖維混合在日常服裝中，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合傳感和發(fā)光交互功能的可穿戴應(yīng)用產(chǎn)品，為智能紡織品的多模態(tài)融合提供了新的思路。
視頻2：集感知和發(fā)光功能于一體的可穿戴交互式手環(huán)腕帶
此外，研究團(tuán)隊(duì)將多種導(dǎo)色纖維混入日常服裝中，并結(jié)合圖像采集裝置和控制芯片構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的情感識(shí)別交互場(chǎng)景，用于證明光致變色纖維作為輔助通信技術(shù)工具的可行性。該團(tuán)隊(duì)還利用光致變色纖維良好的耐磨性和堅(jiān)固性，將其集成到汽車內(nèi)飾地毯和水下內(nèi)飾物品中，證明了其應(yīng)用場(chǎng)景的普遍性。
視頻3：可穿戴式情緒識(shí)別交互式反饋系統(tǒng)
用戶的面部表情可以反映他們當(dāng)前的情緒狀態(tài)
該文章近日發(fā)表在國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Light： & “》上，題為”and Fiber“，華中科技大學(xué)博士生李攀、碩士生王雨薇、電子科技大學(xué)博士生何曉嫻為論文共同第一作者，南京大學(xué)盧彥卿教授、華中科技大學(xué)陶光明教授為論文共同通訊作者。 合作伙伴還包括新加坡國立大學(xué)、東華大學(xué)、北京時(shí)裝學(xué)院、武漢音樂學(xué)院等。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和華中科技大學(xué)跨學(xué)科研究支持計(jì)劃的支持。
論文信息
Li， P.， Wang， Y.，He全反射的條件全反射的條件， X.et al. 和纖維 .光科學(xué) ， 48 （2024）.
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? 該系列集靈敏度高、光譜范圍廣、配置靈活、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)于一體。同時(shí)，?該系列熒光光譜儀還采用了全反射光路和單光子計(jì)數(shù)技術(shù)，率先為臺(tái)式熒光光譜儀系統(tǒng)帶來了高靈敏度和寬光譜測(cè)量。新一代+高靈敏度研究級(jí)熒光光譜儀具有更寬的光譜范圍（高達(dá)1900 nm）和更短的熒光壽命（高達(dá)5 ps），為固體/液體樣品、高通量篩選、冷凍/高溫、絕對(duì)量子產(chǎn)量、微量樣品、滴定進(jìn)樣/停留、顯微光譜等提供全方位的解決方案。
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