壓迫療法是對患有靜脈潰瘍和其他難以通過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。但目前還沒有明確的方法來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，纖維會變色。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)顏色圖表來判斷繃帶是否需要松弛或收緊程度。

麻省理工學(xué)院機械工程助理教授Mathias Kolle表示:“在美國，靜脈潰瘍這種疾病每年影響著數(shù)十萬病人，所以正確的壓力對于治療包括靜脈潰瘍在內(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。通過設(shè)計它們，從而使它們在特定的所需壓力下反映出容易辨別的顏色。"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，光可以被各個層之間的每個界面反射。當(dāng)具有足夠量一致厚度的纖維層時，界面反射相互作用從而增強了可見光譜中的一些顏色的亮度，例如紅色，同時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不同。

Sandt稱:“結(jié)構(gòu)色彩真的很整潔，因為只要使用特定排列的透明材料，就可以獲得比墨水或染料更亮、更強的色彩。只要結(jié)構(gòu)保持不變，這些顏色就會持續(xù)存在。"

光纖的設(shè)計依賴于“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:“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)造和運用它們。”

應(yīng)用多層次的方法

該團(tuán)隊的方法是將已知的光學(xué)設(shè)計概念與軟材料相結(jié)合，從而創(chuàng)建動態(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)拉伸纖維會改變單個層的厚度，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《高級材料》。

同年，當(dāng)Kolle加入麻省理工學(xué)院時，他和他的團(tuán)隊，包括Sandt，改進(jìn)了光子纖維的設(shè)計和制造。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)隊可以使用為光纖設(shè)計定制的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)建模方法來調(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，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。這項研究十分強大，因為你可能想要通過紅色來顯示危險的高應(yīng)變，或者綠色代表‘好’。而正好我們具備這種能力。”

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)的壓縮繃帶的長度縫合它們，它們先前的特征是確定繃帶拉伸一定量時所產(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，繪制了一個顏色圖表，將纖維顏色(通過一定程度的拉伸產(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，他們成對進(jìn)行測試，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。繃帶的這種設(shè)計使它在最佳壓力時，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，最容易對患肢施加最理想的壓力。

研究人員正在尋找擴大生產(chǎn)光纖的方法。目前，他們能夠制造幾英寸長的纖維。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:“目前，纖維價格昂貴，主要是因為纖維的生產(chǎn)過程耗費成本高。這些材料本身沒有多大價值。如果我們能用相對較少的工作就能抽出幾公里長的這些纖維，那么它們就會非常便宜。”

然后，這種纖維就可以與諸如運動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。”

這項研究部分得到了國家科學(xué)基金會和麻省理工學(xué)院機械工程系的支持。