可穿戴功能性織物在監(jiān)測人體活動方面有著廣泛的應用，如監(jiān)測健康、運動狀況以及人機互動等。近年來，基于阻抗、電容及感應電勢等檢測技術的電子織物傳感器得到了迅猛發(fā)展，但是，這些傳感器的組分之間的機械性能、電化學行為差異較大；而且為了保證材料能夠?qū)崿F(xiàn)可重復的可逆形變，傳感材料通常需要復雜的制備過程，難以量產(chǎn)化。

為了解決這一問題，科學家們將光纖整合到織物中以監(jiān)測人體運動情況。傳統(tǒng)的光纖材料如石英玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯等剛性過強，只能監(jiān)測小范圍的形變。而彈性體、水凝膠等能允許較大形變的材料在量產(chǎn)方面又面臨諸多困難。因此，急需一個新方法和技術制備能量產(chǎn)化的、允許較大形變的材料。

麻省理工學院的Mathias Kolle教授團隊設計了一種能量產(chǎn)化的具有優(yōu)異拉伸和彎曲性能的光纖。這種光纖由具有相似機械性能和不同折光指數(shù)的兩種透明熱塑性彈性體組成，形成殼-包層的結(jié)構(gòu)。同時利用熱塑性彈性體能夠熔融加工的優(yōu)點，利用一步法共擠出成型得到幾百米長的光纖。與傳統(tǒng)的光纖材料相比，作者制備的光纖材料具有較好的形變能力，能夠承受極大的伸長、彎曲以及壓力形變。這種光化學的耦合是量化可穿戴織物傳感器機械刺激的基礎。

為了評估這種光纖的性能，作者將其整合到低成本的電子器件中對幾種人體行為進行監(jiān)測：（1）膝蓋的連續(xù)彎曲；（2）手指的運動；（3）球落在球拍上時的壓力及位置。

圖1 光纖材料的制備及結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 光纖材料的機械及光學性能

從圖2可以看出光纖的斷裂伸長率達到(545±35)%，伸長率在40%和300%之間重復變化時，光纖表現(xiàn)出優(yōu)異的彈性行為。在400~850 nm光波范圍內(nèi)，相對于短波，光纖對長波具有更好的透過性，但是其光纖衰減系數(shù)卻比聚甲基丙烯酸甲酯高三個數(shù)量級。這可能是由核-包層界面存在的顆粒、氣泡以及不均勻的核直徑導致的。為了驗證包層結(jié)構(gòu)存在的必要性，作者對比了核-包層結(jié)構(gòu)和只有核材料的光纖的性能。在空氣、水和硅油介質(zhì)中，只有核材料的光纖的折光指數(shù)會隨著介質(zhì)的不同發(fā)生明顯變化，而具有核-包層結(jié)構(gòu)的光纖的導光性能幾乎沒有變化，能夠滿足后續(xù)的實際應用。

圖3 光纖在人體活動監(jiān)測中的應用

從圖3可以看出，集成有這種具有核-包層結(jié)構(gòu)的熱塑性彈性體光纖的電子器件能夠?qū)θ梭w運動及壓力進行靈敏、準確的監(jiān)測。

來源：高分子科學前沿