文章指南
近日，南京大學盧彥清教授與華中科技大學陶光明教授合作，在可穿戴多色交互光致變色纖維領域取得新進展?；谂可a的多材料纖維預制件熱拉法，研究團隊實現(xiàn)了高柔韌性、均勻發(fā)光和寬色域控制的光致變色纖維。因為市場上引進的波導基發(fā)光光纖，通過引入人為的結構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。該團隊在聚合物纖維的基礎上引入熒光材料來調節(jié)纖維的外部輻射光譜，同時利用熒光材料的飽和效應，實現(xiàn)整個纖維的均勻發(fā)光。研究團隊還通過對光纖結構的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了基于RGB三色混合機制的單纖寬色域控制。最后，研究團隊將可控光致變色纖維集成到多種可穿戴交互界面中，通過日常服裝實現(xiàn)情感和溝通的多樣化交互，為人機交互提供了一種新的方式。有望在通信、導航、醫(yī)療保健、可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)等領域為人類生活方式帶來新的變化。
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，是可穿戴設備的理想基材。夜光光纖作為功能光纖領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)光光纖是基于波導原理（術語解釋）的高分子光纖，它利用人為的結構缺陷或材料缺陷來破壞光纖內部光的全反射條件，導致光纖內部的光泄漏。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)設計纖維結構來分批制備。
創(chuàng)新研究
（1）在工業(yè)級熱拔制備方法的基礎上，將多種功能材料集成到單根光纖中進行一體成型，克服了現(xiàn)有波導發(fā)光光纖沿傳輸方向亮度不均勻的缺陷。
為了解決波導發(fā)光光纖透射方向發(fā)光不均勻的問題，研究團隊設計了光纖內部的波導結構，使光纖內部的紫外光得到充分反射，并利用光纖中集成的熒光復合材料的波長轉換效應，實現(xiàn)紫外波段向可見光波段的轉換， 并利用熒光復合材料的熒光飽和效應，保證透射方向上的發(fā)光均勻性。研究人員通過理論計算分析了光纖結構尺寸，得到了具有最佳光源耦合效應的尺寸參數(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度方向的亮度變化趨勢，證明了光致變色光纖發(fā)光亮度的均勻性。團隊基于工業(yè)熱拔工藝，在數(shù)百米的水平上進行了大規(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、有效長度短、研發(fā)成本高的缺點。
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)產品（光擴散光纖）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的三原色混色機制實現(xiàn)單根光纖的廣色域控制。
得益于熱拔工藝對光纖內部結構的可設計控制，研究團隊將多個導光芯和不同顏色的熒光材料封裝在單根光纖內，通過模仿RGB三原色的混色原理，實現(xiàn)了單根光纖的多色控制。由于多芯光纖內部結構的不對稱性，光纖的光譜輻射強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?；谝曈X細胞的成像方法，研究人員從理論上計算了多芯光纖的周向輻射強度，并通過優(yōu)化多芯光纖包層的尺寸和導光芯的間距，優(yōu)化了纖維的周向觀測輻射色差，使觀測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部的多導光芯層可以分段控制的特點，通過調整耦合芯層的光源亮度比，光纖的顯色性達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°的增量測量多色光致變色纖維的圓周光譜。c x 和 y 色度坐標與視角之間的關系。通過調節(jié)不同光導磁芯的光功率來控制 D x 和 y 色度坐標。色度三角形由紅核、綠核和藍核耦合光源的功率比組成，頂點坐標從上到下分別為 （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現(xiàn)三角形內的所有色度值
（3）直接融入日常服裝，通過調整自身織造圖案和發(fā)光亮度，實現(xiàn)動態(tài)信息交互顯示。
由于光致變色纖維優(yōu)異的生產效率，可以很好地滿足紡織品工業(yè)化生產的大規(guī)模供應需求，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用場景
這
研究團隊將穩(wěn)定電容傳感紗與導光變色纖維混合在日常服裝中，設計了一種結合傳感和發(fā)光交互功能的可穿戴應用產品，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，研究團隊將多種導色纖維混入日常服裝中，并結合圖像采集裝置和控制芯片構建了一個簡單的情感識別交互場景，用于證明光致變色纖維作為輔助通信技術工具的可行性。該團隊還利用光致變色纖維良好的耐磨性和堅固性，將其集成到汽車內飾地毯和水下內飾物品中，證明了其應用場景的普遍性。
視頻3：可穿戴式情緒識別交互式反饋系統(tǒng)
用戶的面部表情可以反映他們當前的情緒狀態(tài)
該文章近日發(fā)表在國際頂級學術期刊《Light： & “》上，題為”and Fiber“，華中科技大學博士生李攀、碩士生王雨薇、電子科技大學博士生何曉嫻為論文共同第一作者，南京大學盧彥卿教授、華中科技大學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、東華大學、北京時裝學院、武漢音樂學院等。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和華中科技大學跨學科研究支持計劃的支持。
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 ， 48 （2024）.
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? 該系列集靈敏度高、光譜范圍廣、配置靈活、操作簡便等優(yōu)點于一體。同時，?該系列熒光光譜儀還采用了全反射光路和單光子計數(shù)技術，率先為臺式熒光光譜儀系統(tǒng)帶來了高靈敏度和寬光譜測量。新一代+高靈敏度研究級熒光光譜儀具有更寬的光譜范圍（高達1900 nm）和更短的熒光壽命（高達5 ps），為固體/液體樣品、高通量篩選、冷凍/高溫、絕對量子產量、微量樣品、滴定進樣/停留、顯微光譜等提供全方位的解決方案。
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