壓迫療法是對(duì)患有靜脈潰瘍和其他難以通過(guò)靜脈從下肢回流血液的病癥患者的標(biāo)準(zhǔn)治療形式。緊緊包裹在患肢周圍的壓縮絲襪和繃帶有助于刺激血液流動(dòng)。但目前還沒(méi)有明確的方法來(lái)衡量繃帶是否能在給定條件下施加最佳壓力。

現(xiàn)在麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出壓力感應(yīng)光子纖維，他們已經(jīng)將它編織成了這種典型的壓縮繃帶，當(dāng)繃帶被拉伸時(shí)，纖維會(huì)變色。護(hù)理人員可以拉伸繃帶，根據(jù)彩色圖表直到可以查看與它與顏色相匹配壓力，然后可以將繃帶纏繞在病人腿上。然后光子纖維可以應(yīng)用在連續(xù)的壓力傳感器——如果它們的顏色發(fā)生變化，護(hù)理人員或患者可以依據(jù)顏色圖表來(lái)判斷繃帶是否需要松弛或收緊程度。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程助理教授Mathias Kolle表示:“在美國(guó)，靜脈潰瘍這種疾病每年影響著數(shù)十萬(wàn)病人，所以正確的壓力對(duì)于治療包括靜脈潰瘍?cè)趦?nèi)的許多疾病都至關(guān)重要。這些光子纖維可以提供繃帶施加壓力的信息。通過(guò)設(shè)計(jì)它們，從而使它們?cè)谔囟ǖ乃鑹毫ο路从吵鋈菀妆鎰e的顏色。"Kolle和他的同事在《先進(jìn)醫(yī)療材料》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

自然靈感

光子纖維的顏色不是源于任何固有的色素沉著，而是源于它們精心設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)配置。每根纖維大約是人類頭發(fā)直徑的10倍。工藝上研究人員采取了在彈性芯絲周圍繞上超薄透明橡膠層的方案，創(chuàng)造了一種類似于果凍狀的結(jié)構(gòu)。

在這種卷起的結(jié)構(gòu)中，光可以被各個(gè)層之間的每個(gè)界面反射。當(dāng)具有足夠量一致厚度的纖維層時(shí)，界面反射相互作用從而增強(qiáng)了可見(jiàn)光譜中的一些顏色的亮度，例如紅色，同時(shí)降低其他顏色的亮度。這使得纖維呈現(xiàn)一定的顏色，纖維內(nèi)各層的厚度的不同則顏色也會(huì)不同。

Sandt稱:“結(jié)構(gòu)色彩真的很整潔，因?yàn)橹灰褂锰囟ㄅ帕械耐该鞑牧?，就可以獲得比墨水或染料更亮、更強(qiáng)的色彩。只要結(jié)構(gòu)保持不變，這些顏色就會(huì)持續(xù)存在。"

光纖的設(shè)計(jì)依賴于“干涉”這種光學(xué)現(xiàn)象，在這種光學(xué)現(xiàn)象中，從薄透明層的周期性疊層反射的光可以根據(jù)疊層的幾何參數(shù)和材料組成產(chǎn)生鮮明的顏色。光學(xué)干涉是在油漬和肥皂泡中產(chǎn)生彩色漩渦的原因。孔雀和蝴蝶的羽毛和翅膀是由類似的周期性結(jié)構(gòu)制成的，所以它們的顏色也是令人眼花繚亂的。

Kolle說(shuō):“我一直在尋找自然界最炫目的光線操控策略的起源，并嘗試在生活中重新創(chuàng)造和運(yùn)用它們。”

應(yīng)用多層次的方法

該團(tuán)隊(duì)的方法是將已知的光學(xué)設(shè)計(jì)概念與軟材料相結(jié)合，從而創(chuàng)建動(dòng)態(tài)光子材料。

哈佛大學(xué)Joanna Aizenberg教授的博士后Kolle受到了英國(guó)埃克塞特大學(xué)生物光子學(xué)教授Pete Vukusic研究熱帶植物珍珠層漿果的啟發(fā)——珍珠層漿果是一種能產(chǎn)生極亮藍(lán)色漿果的熱帶植物，它的表皮由周期性纖維素結(jié)構(gòu)的細(xì)胞組成，光通過(guò)這些細(xì)胞可以反射，使水果具有標(biāo)志性的金屬藍(lán)色。

Kolle 和Vukusic一起合作尋求將水果的光子建筑轉(zhuǎn)化為有用的合成材料的方法。最后，他們用可拉伸材料制成多層纖維，并假設(shè)拉伸纖維會(huì)改變單個(gè)層的厚度，使它們能夠調(diào)整纖維的顏色。這些初步努力的成果已于2013年發(fā)表在《高級(jí)材料》。

同年，當(dāng)Kolle加入麻省理工學(xué)院時(shí)，他和他的團(tuán)隊(duì)，包括Sandt，改進(jìn)了光子纖維的設(shè)計(jì)和制造。目前，纖維由普遍使用和易得的透明橡膠層制成，包裹在高度可拉伸的纖維芯周圍。sandt使用旋涂法制造每一層，這是一種將溶解在溶液中的橡膠倒入紡車上的技術(shù)。多余的材料被甩出車輪，留下一層薄而均勻的涂層，其厚度可以由車輪的速度決定。

Sandt在硅晶片上的水溶性薄膜上制作出兩層纖維。然后，他將晶片連同其表面的三層結(jié)構(gòu)一起浸入水中從而溶解水溶性層，然后留下漂浮在水面上的兩個(gè)橡膠層。最后，他小心翼翼地將兩層透明層纏繞在一根黑色橡膠纖維上，制成最終的彩色光子纖維。

反映壓力變化

該團(tuán)隊(duì)可以使用為光纖設(shè)計(jì)定制的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)建模方法來(lái)調(diào)整光纖層的厚度，然后就可以產(chǎn)生任何所期望的顏色。

Kolle表示:“如果你想讓一根纖維從黃色變成綠色，或者藍(lán)色，我們可以說(shuō)，我們掌握了如何發(fā)明制作光纖從而給我們展示出這種顏色軌跡。這項(xiàng)研究十分強(qiáng)大，因?yàn)槟憧赡芟胍ㄟ^(guò)紅色來(lái)顯示危險(xiǎn)的高應(yīng)變，或者綠色代表‘好’。而正好我們具備這種能力?！?/p>

研究小組利用理論模型制作了具有定制的、應(yīng)變相關(guān)顏色變化的變色纖維，然后沿著傳統(tǒng)的壓縮繃帶的長(zhǎng)度縫合它們，它們先前的特征是確定繃帶拉伸一定量時(shí)所產(chǎn)生的壓力。

該小組利用繃帶拉伸和壓力之間的關(guān)系，以及纖維顏色和應(yīng)變之間的關(guān)系，繪制了一個(gè)顏色圖表，將纖維顏色(通過(guò)一定程度的拉伸產(chǎn)生)與繃帶產(chǎn)生的壓力相匹配。

為了測(cè)試繃帶的效果，Sandt 和Moudio招募了十多名學(xué)生志愿者，他們成對(duì)進(jìn)行測(cè)試，即將三種不同的加壓繃帶彼此貼在腿上:普通繃帶、帶光子纖維的繃帶和印有矩形圖案的市售繃帶?？噹У倪@種設(shè)計(jì)使它在最佳壓力時(shí)，使用者應(yīng)該能看到打印的矩形延伸成正方形。

總體而言，光子纖維編織的繃帶給出了最清晰的壓力反饋。學(xué)生能夠根據(jù)顏色圖解釋纖維的顏色，MIT 發(fā)明的光子纖維綁帶，最容易對(duì)患肢施加最理想的壓力。

研究人員正在尋找擴(kuò)大生產(chǎn)光纖的方法。目前，他們能夠制造幾英寸長(zhǎng)的纖維。理想的情況是，他們希望一次生產(chǎn)數(shù)米甚至數(shù)公里的這種纖維。

Kolle說(shuō):“目前，纖維價(jià)格昂貴，主要是因?yàn)槔w維的生產(chǎn)過(guò)程耗費(fèi)成本高。這些材料本身沒(méi)有多大價(jià)值。如果我們能用相對(duì)較少的工作就能抽出幾公里長(zhǎng)的這些纖維，那么它們就會(huì)非常便宜?！?/p>

然后，這種纖維就可以與諸如運(yùn)動(dòng)服和鞋子等紡織品一起穿入繃帶中，作為鍛煉期間肌肉緊張的顏色指示器。Kolle設(shè)想，它們也可以用作基礎(chǔ)設(shè)施和機(jī)械的遠(yuǎn)程可讀應(yīng)變儀。

Kolle稱:“當(dāng)然，它們也可以是一種科學(xué)工具，可以用在我們想要探索的更廣泛的領(lǐng)域中?！?/p>

這項(xiàng)研究部分得到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的支持。