麻省理工学院的工程师已经开发出压力感应光子纤维

压迫疗法是对患有静脉溃疡和其他难以通过静脉从下肢回流血液的病症患者的标准治疗形式。紧紧包裹在患肢周围的压缩丝袜和绷带有助于刺激血液流动。但目前还没有明确的方法来衡量绷带是否能在给定条件下施加最佳压力。

现在麻省理工学院的工程师已经开发出压力感应光子纤维，他们已经将它编织成了这种典型的压缩绷带，当绷带被拉伸时，纤维会变色。护理人员可以拉伸绷带，根据彩色图表直到可以查看与它与颜色相匹配压力，然后可以将绷带缠绕在病人腿上。然后光子纤维可以应用在连续的压力传感器——如果它们的颜色发生变化，护理人员或患者可以依据颜色图表来判断绷带是否需要松弛或收紧程度。

麻省理工学院机械工程助理教授Mathias Kolle表示:“在美国，静脉溃疡这种疾病每年影响着数十万病人，所以正确的压力对于治疗包括静脉溃疡在内的许多疾病都至关重要。这些光子纤维可以提供绷带施加压力的信息。通过设计它们，从而使它们在特定的所需压力下反映出容易辨别的颜色。"Kolle和他的同事在《先进医疗材料》杂志上发表了他们的研究结果。

自然灵感

光子纤维的颜色不是源于任何固有的色素沉着，而是源于它们精心设计的结构配置。每根纤维大约是人类头发直径的10倍。工艺上研究人员采取了在弹性芯丝周围绕上超薄透明橡胶层的方案，创造了一种类似于果冻状的结构。

在这种卷起的结构中，光可以被各个层之间的每个界面反射。当具有足够量一致厚度的纤维层时，界面反射相互作用从而增强了可见光谱中的一些颜色的亮度，例如红色，同时降低其他颜色的亮度。这使得纤维呈现一定的颜色，纤维内各层的厚度的不同则颜色也会不同。

Sandt称:“结构色彩真的很整洁，因为只要使用特定排列的透明材料，就可以获得比墨水或染料更亮、更强的色彩。只要结构保持不变，这些颜色就会持续存在。"

光纤的设计依赖于“干涉”这种光学现象，在这种光学现象中，从薄透明层的周期性叠层反射的光可以根据叠层的几何参数和材料组成产生鲜明的颜色。光学干涉是在油渍和肥皂泡中产生彩色漩涡的原因。孔雀和蝴蝶的羽毛和翅膀是由类似的周期性结构制成的，所以它们的颜色也是令人眼花缭乱的。

Kolle说:“我一直在寻找自然界最炫目的光线操控策略的起源，并尝试在生活中重新创造和运用它们。”

应用多层次的方法

该团队的方法是将已知的光学设计概念与软材料相结合，从而创建动态光子材料。

哈佛大学Joanna Aizenberg教授的博士后Kolle受到了英国埃克塞特大学生物光子学教授Pete Vukusic研究热带植物珍珠层浆果的启发——珍珠层浆果是一种能产生极亮蓝色浆果的热带植物，它的表皮由周期性纤维素结构的细胞组成，光通过这些细胞可以反射，使水果具有标志性的金属蓝色。

Kolle 和Vukusic一起合作寻求将水果的光子建筑转化为有用的合成材料的方法。最后，他们用可拉伸材料制成多层纤维，并假设拉伸纤维会改变单个层的厚度，使它们能够调整纤维的颜色。这些初步努力的成果已于2013年发表在《高级材料》。

同年，当Kolle加入麻省理工学院时，他和他的团队，包括Sandt，改进了光子纤维的设计和制造。目前，纤维由普遍使用和易得的透明橡胶层制成，包裹在高度可拉伸的纤维芯周围。sandt使用旋涂法制造每一层，这是一种将溶解在溶液中的橡胶倒入纺车上的技术。多余的材料被甩出车轮，留下一层薄而均匀的涂层，其厚度可以由车轮的速度决定。

Sandt在硅晶片上的水溶性薄膜上制作出两层纤维。然后，他将晶片连同其表面的三层结构一起浸入水中从而溶解水溶性层，然后留下漂浮在水面上的两个橡胶层。最后，他小心翼翼地将两层透明层缠绕在一根黑色橡胶纤维上，制成最终的彩色光子纤维。

反映压力变化

该团队可以使用为光纤设计定制的标准光学建模方法来调整光纤层的厚度，然后就可以产生任何所期望的颜色。

Kolle表示:“如果你想让一根纤维从黄色变成绿色，或者蓝色，我们可以说，我们掌握了如何发明制作光纤从而给我们展示出这种颜色轨迹。这项研究十分强大，因为你可能想要通过红色来显示危险的高应变，或者绿色代表‘好’。而正好我们具备这种能力。”

研究小组利用理论模型制作了具有定制的、应变相关颜色变化的变色纤维，然后沿着传统的压缩绷带的长度缝合它们，它们先前的特征是确定绷带拉伸一定量时所产生的压力。

该小组利用绷带拉伸和压力之间的关系，以及纤维颜色和应变之间的关系，绘制了一个颜色图表，将纤维颜色(通过一定程度的拉伸产生)与绷带产生的压力相匹配。

为了测试绷带的效果，Sandt 和Moudio招募了十多名学生志愿者，他们成对进行测试，即将三种不同的加压绷带彼此贴在腿上:普通绷带、带光子纤维的绷带和印有矩形图案的市售绷带。绷带的这种设计使它在最佳压力时，使用者应该能看到打印的矩形延伸成正方形。

总体而言，光子纤维编织的绷带给出了最清晰的压力反馈。学生能够根据颜色图解释纤维的颜色，MIT 发明的光子纤维绑带，最容易对患肢施加最理想的压力。

研究人员正在寻找扩大生产光纤的方法。目前，他们能够制造几英寸长的纤维。理想的情况是，他们希望一次生产数米甚至数公里的这种纤维。

Kolle说:“目前，纤维价格昂贵，主要是因为纤维的生产过程耗费成本高。这些材料本身没有多大价值。如果我们能用相对较少的工作就能抽出几公里长的这些纤维，那么它们就会非常便宜。”

然后，这种纤维就可以与诸如运动服和鞋子等纺织品一起穿入绷带中，作为锻炼期间肌肉紧张的颜色指示器。Kolle设想，它们也可以用作基础设施和机械的远程可读应变仪。

Kolle称:“当然，它们也可以是一种科学工具，可以用在我们想要探索的更广泛的领域中。”

这项研究部分得到了国家科学基金会和麻省理工学院机械工程系的支持。