受DNA启发的柔性光纤传感器，为可穿戴设备提供耐久且灵活的设计
2025-05-02 14:54:58   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，日本信州大学（Shinshu University）的研究人员受DNA双螺旋结构启发，开发了一种新型光纤传感器，为可穿戴设备提供了更耐久、更灵活的新设计。传统的光纤传感器两端都有电极，当放置在人体关节上时，在反复运动下往往会导致失效。

这项研究提出的双螺旋设计将两个电极放置在一端，使光纤传感器能够承受反复的拉伸和移动，有效地解决了传统可穿戴传感器的关键问题。

柔性传感器的发展及双螺旋结构的设计概念

柔性光纤传感器已广泛应用于智能可穿戴设备，因为其紧凑的尺寸和轻便感非常适合日常使用。然而，目前的设计通常需要放置在关节部位，由于机械挑战，导致应用受限。传统两端带有电极的光纤传感器在应用于手指或膝盖等关节时很脆弱，重复的运动会拉动连接线，导致它们松动或测量结果不准确。

为了解决这个问题，日本信州大学的研究人员开发了一种新型柔性传感器（TT/MT），它模仿了DNA双螺旋结构。这种新设计将两个电极都放置在光纤的一端，减少了移动过程中的应变，显著提高了耐久性。该研究成果已于近日在线发表在Advanced Science期刊上。

“有效的电极设计对可穿戴传感器的性能和寿命至关重要。但在一维光纤传感器中，这一直是一个挑战。我们的设计直接解决了这个问题。”该论文通讯作者、信州大学纤维工程与科学研究所副教授Chunhong Zhu说。

TT/MT蓬松型核壳纤维的制备：（a）湿法纺丝工艺及浆料配比示意图；（b）湿法纺丝用的针头照片；（c）湿法纺丝过程中纤维的照片；（d）TT/MT蓬松纤维的横截面SEM图像以及外部结构的EDS图；（e、f）轻质TT/MT纤维展示。

研究人员从DNA双螺旋结构汲取了灵感，DNA结构的稳定性由互补碱基对之间的氢键维持。以类似的方式，他们将两根专门设计的同轴纤维扭曲在一起，以创建一种紧密结合的稳定结构。

其中，每根纤维都采用一种被称为同轴湿纺的方法制造，具有一个绝缘的外层和一个蓬松的导电内核芯。内核芯含有多壁碳纳米管（MWCNT），外层包括热塑性聚氨酯（TPU）和二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒，使纤维更蓬松、更坚固。

经过热处理后，两根光纤自然形成双螺旋结构，在同一端内置正负端子，无需在两端进行复杂的布线，解决了传统设计中的常见问题。“这种TT/MT双螺旋光纤一端有两个电极，另一端没有电极，大大简化了柔性传感器的布线。”该研究共同作者Ziwei Chen说。

由此获得的TT/MT双螺旋光纤传感器非常细长，直径小于1 mm，易于无缝集成到可穿戴纺织品中。此外，它被证明具有高度耐久性，能够承受反复拉伸和弯曲。在实验室测试中，它经受了超过1000次拉伸循环，延伸超过其原始长度的300%而不会断裂。

由于两个电极位于同一侧，传感器可以跨关节使用，其中包含电极的一侧连接到移动受限的区域，例如手背、脸颊或膝盖，因而不会出现线缆损坏的风险。由此，开辟了跟踪手指手势，面部表情和步态运动，甚至检测睡眠期间呼吸模式的广泛应用。

研究人员开发的具有双螺旋结构的柔性光纤传感器，该结构将两个电极放置在一端。这种设计提高了耐久性，使传感器能够承受反复的拉伸和弯曲，并使其更容易集成到可穿戴设备中，尤其适用于身体关节。

在一项测试中，研究人员将传感器放置在手套内，并使用机器学习模型来帮助它学习如何识别手指运动。该手套能够识别六种常见的手势，准确率为98.8%。在另一项测试中，传感器检测每个手指弯曲持续的时间，利用它来无线发送莫尔斯码，展示了它有潜力成为帮助残疾人的工具。

双螺旋TT/MT纤维传感器的实际和潜在应用

据研究人员称，该设计还有望用于蓝牙连接的可穿戴设备，实现康复和运动训练的实时远程监控。该团队设想将这些传感器嵌入到登山等高风险活动的衣服中，在发生事故、跌落或缺氧等健康问题时，它们可以发送紧急警报。

通过这种创新的设计，研究人员希望激发下一代智能纤维的开发，这些纤维不仅耐用、敏感，而且易于融入日常穿着。

“我们的设计策略，例如我们研究中强调的TT/MT双螺旋光纤，也提供了一种通用的方法，可以开发针对不同应用的各种智能光纤。”Zhu博士说。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202416564

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