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光機(jī)械傳感器的仿生設(shè)計(jì)

 
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(zhǎng)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(duì)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(jì)。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(zhǎng)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(shí)，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?、黃色、綠色、后是藍(lán)色(大應(yīng)變)。研究人員指出，有可能設(shè)計(jì)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(cè)量纖維光學(xué)機(jī)械性能的定量測(cè)試表明，該仿生纖維能夠被拉伸到其初始長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)
 
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(zhǎng)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(qǐng)了12名未受過訓(xùn)練的學(xué)生志愿者被用于測(cè)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(shí)更容易施加壓力。