受DNA启发的柔性纤维设计增强了可穿戴设备的传感器

信州大学的研究人员开发了一种受DNA形状启发的光纤传感器，为可穿戴设备中更耐用、更灵活的光纤传感器引入了一种新设计。传统的光纤传感器在两端都有电极，当放置在身体关节上时，电极在反复运动下往往会失效。

然而，所提出的双螺旋设计将两个电极放在一端，使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一个关键限制。

柔性光纤传感器广泛应用于智能可穿戴设备，因为其紧凑的尺寸和轻便的感觉使其适合日常使用。然而，由于机械挑战，目前通常放置在接头处的设计面临有限的应用。当应用于手指或膝盖等关节时，两端都有电极的传统光纤传感器很脆弱，因为重复的运动会拉动连接线，导致它们松动或产生测量误差。

为了解决这个问题，日本信州大学的一个研究小组开发了一种新型的柔性传感器，其具有模仿DNA形状的双螺旋结构。这种新设计将两个电极放置在纤维的一端，减少了运动过程中的应变，显著提高了耐用性。他们的发现于2025年2月4日在线发表在《高级科学》杂志上。

“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，”该研究的主要作者、纤维工程与科学研究所的朱春红副教授说。

研究人员从DNA双螺旋的稳定性中获得了灵感，这是由互补碱基对之间的氢键维持的。以类似的方式，他们将两根专门设计的同轴光纤拧在一起，形成一个紧密结合、稳定的结构。

每根纤维都是使用一种称为同轴湿法纺丝的方法生产的，具有绝缘外层和蓬松的导电内核。核心包含多壁碳纳米管（MWCNT），而外层包括热塑性聚氨酯（TPU）和二氧化钛（TiO2）纳米粒子，使纤维更蓬松、更强。

经过热处理后，两根光纤自然形成双螺旋，在同一端内置正极和负极端子，消除了在两端进行复杂布线的需要——这是传统设计中常见的问题。“TT/MT双螺旋光纤的一端有两个电极，另一端没有电极，大大简化了柔性传感器的布线，”该研究的合著者陈子伟先生说。

由此产生的TT/MT双螺旋光纤传感器非常细长，直径小于1毫米，易于无缝集成到可穿戴纺织品中。此外，它被证明是非常耐用的，能够承受反复的拉伸和弯曲。在实验室测试中，它经受了1000多次拉伸循环，并在不断裂的情况下延长了原始长度的300%以上。

当两个电极位于同一侧时，传感器可以跨关节使用，其中包含电极的一侧连接到运动受限的区域，如手背、脸颊或膝盖，而不会有电线损坏的风险。这为跟踪手指手势、面部表情和步态运动，甚至检测睡眠中的呼吸模式开辟了应用程序。

在一项测试中，研究人员将传感器放在手套内，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，该传感器检测到每次手指拉动的持续时间，并利用该时间无线发送莫尔斯电码，展示了其作为帮助残疾人的工具的潜力。

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研究人员表示，该设计还显示出在蓝牙连接的可穿戴设备中使用的前景，可以对康复和运动训练进行实时远程监控。该团队设想将这些传感器嵌入登山等高风险活动的服装中，以便在发生事故、跌倒或缺氧等健康问题时发出紧急警报。

通过这一创新设计，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、灵敏，而且易于融入日常穿着。朱博士说：“我们的设计策略，以我们研究中强调的TT/MT双螺旋光纤为例，也提供了一种多功能的方法，可以激发为不同应用量身定制的各种智能光纤的开发。”。p