文章指南
近日，南京大学卢彦清教授与华中科技大学陶光明教授合作，在可穿戴多色交互光致变色纤维领域取得新进展。基于批量生产的多材料纤维预制件热拉法，研究团队实现了高柔韧性、均匀发光和宽色域控制的光致变色纤维。因为市场上引进的波导基发光光纤，通过引入人为的结构缺陷来破坏光纤的全反射条件，使光纤漏光，无法保证传输方向的发光均匀性。该团队在聚合物纤维的基础上引入荧光材料来调节纤维的外部辐射光谱，同时利用荧光材料的饱和效应，实现整个纤维的均匀发光。研究团队还通过对光纤结构的优化设计，实现了基于RGB三色混合机制的单纤宽色域控制。最后，研究团队将可控光致变色纤维集成到多种可穿戴交互界面中，通过日常服装实现情感和沟通的多样化交互，为人机交互提供了一种新的方式。有望在通信、导航、医疗保健、可穿戴设备、物联网等领域为人类生活方式带来新的变化。
视频 1：本研究中可穿戴、多色交互式光致变色纤维的整体概述
背景
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纤维作为人类历史上应用最广泛的可穿戴材料，因其优异的透气性和柔韧性，能够近乎完美地贴合人体的3D不规则形状，是可穿戴设备的理想基材。夜光光纤作为功能光纤领域的交互和视觉手段，打破了传统交互界面的刚性和刚性特性，有望成为一种新兴的交互界面。已商业化的发光光纤是基于波导原理（术语解释）的高分子光纤，它利用人为的结构缺陷或材料缺陷来破坏光纤内部光的全反射条件，导致光纤内部的光泄漏。受光纤传输损耗的限制，光纤不能保证光亮在传输方向上的均匀性，又由于光纤圆周方向缺陷的不对称性，不能保证光纤圆周亮度的一致性，这极大地限制了其作为线光源的应用。受光致变色纤维和高分子纤维的启发，该文提出了一种可穿戴的多色交互式光致变色纤维，该纤维可以通过基于热拉法并联设计纤维结构来分批制备。
创新研究
（1）在工业级热拔制备方法的基础上，将多种功能材料集成到单根光纤中进行一体成型，克服了现有波导发光光纤沿传输方向亮度不均匀的缺陷。
为了解决波导发光光纤透射方向发光不均匀的问题，研究团队设计了光纤内部的波导结构，使光纤内部的紫外光得到充分反射，并利用光纤中集成的荧光复合材料的波长转换效应，实现紫外波段向可见光波段的转换， 并利用荧光复合材料的荧光饱和效应，保证透射方向上的发光均匀性。研究人员通过理论计算分析了光纤结构尺寸，得到了具有最佳光源耦合效应的尺寸参数和损耗规律，并通过光线追踪定量探究了不同紫外功率下光纤沿长度方向的亮度变化趋势，证明了光致变色光纤发光亮度的均匀性。团队基于工业热拔工艺，在数百米的水平上进行了大规模的光致变色纤维一次性制备，克服了传统发光纤维制备周期长、有效长度短、研发成本高的缺点。
图1：光致变色纤维的制造工艺。 a 光致变色纤维工业规模生产线的物理示意图。 b 光致变色纤维的制造示意图，图中显示了光致变色纤维的物理照片。 c 本作品与商业产品（光扩散光纤）之间透射方向的光衰减比较。
（2）打破传统发光光纤的色彩限制，利用RGB的三原色混色机制实现单根光纤的广色域控制。
得益于热拔工艺对光纤内部结构的可设计控制，研究团队将多个导光芯和不同颜色的荧光材料封装在单根光纤内，通过模仿RGB三原色的混色原理，实现了单根光纤的多色控制。由于多芯光纤内部结构的不对称性，光纤的光谱辐射强度在圆周方向上向不同方向变化。根据不同的观察角度，纤维的整体显色性是不同的。基于视觉细胞的成像方法，研究人员从理论上计算了多芯光纤的周向辐射强度，并通过优化多芯光纤包层的尺寸和导光芯的间距，优化了纤维的周向观测辐射色差，使观测到的颜色在不同视角下尽可能一致。此外，研究人员利用多芯光纤内部的多导光芯层可以分段控制的特点，通过调整耦合芯层的光源亮度比，光纤的显色性达到了更宽的色域范围。
图2：多色光致变色纤维的发光特性。 从人眼看多芯光致变色光纤的示意图。 b 从0°到360°以30°的增量测量多色光致变色纤维的圆周光谱。c x 和 y 色度坐标与视角之间的关系。通过调节不同光导磁芯的光功率来控制 D x 和 y 色度坐标。色度三角形由红核、绿核和蓝核耦合光源的功率比组成，顶点坐标从上到下分别为 （0.217，0.507）、（0.496， 0.304） 和 （0.186， 0.128）。通过混合具有不同功率比的光源，光致变色光纤可以实现三角形内的所有色度值
（3）直接融入日常服装，通过调整自身织造图案和发光亮度，实现动态信息交互显示。
由于光致变色纤维优异的生产效率，可以很好地满足纺织品工业化生产的大规模供应需求，并且作为一种纤维成型器件，可以直接缝制和织布在各种日常服装上，为实现柔性可穿戴交互界面提供了新途径。
图3：光致变色纤维体系应用场景
这
研究团队将稳定电容传感纱与导光变色纤维混合在日常服装中，设计了一种结合传感和发光交互功能的可穿戴应用产品，为智能纺织品的多模态融合提供了新的思路。
视频2：集感知和发光功能于一体的可穿戴交互式手环腕带
此外，研究团队将多种导色纤维混入日常服装中，并结合图像采集装置和控制芯片构建了一个简单的情感识别交互场景，用于证明光致变色纤维作为辅助通信技术工具的可行性。该团队还利用光致变色纤维良好的耐磨性和坚固性，将其集成到汽车内饰地毯和水下内饰物品中，证明了其应用场景的普遍性。
视频3：可穿戴式情绪识别交互式反馈系统
用户的面部表情可以反映他们当前的情绪状态
该文章近日发表在国际顶级学术期刊《Light： & “》上，题为”and Fiber“，华中科技大学博士生李攀、硕士生王雨薇、电子科技大学博士生何晓娴为论文共同第一作者，南京大学卢彦卿教授、华中科技大学陶光明教授为论文共同通讯作者。 合作伙伴还包括新加坡国立大学、东华大学、北京时装学院、武汉音乐学院等。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和华中科技大学跨学科研究支持计划的支持。
论文信息
Li， P.， Wang， Y.，He全反射的条件全反射的条件， X.et al. 和纤维 .光科学 ， 48 （2024）.
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