第一作者：Pan Li, Yuwei Wang, Xiaoxian He
通讯作者：Yan-Qing Lu or Guangming Tao
通讯单位：华中科技大学材料科学与工程学院
撰稿：JeverXin
背景介绍
智能纤维与现有成熟的纺织工程技术相结合，有可能满足用户对柔软性、透气性和舒适性的需求，同时直接集成到日常生活中使用的各种纺织品中。此外，信息交流在日常生活中至关重要。人与设备之间信息传输的效率和便利性刺激了交互设备的创新。变色纤维作为智能纺织领域的交互可视化手段，打破了硬性、独立交互界面的传统特性，因其优异的耐磨性和自然交互性，有望成为一种新兴的交互界面。与传统的硬质和扁平交互设备不同，变色纤维具有良好的透气性和耐磨性。它们可以向任何方向扭曲或弯曲，使它们适应不规则的身体形状。此外，它们还可以使用成熟的纺织技术直接集成到日常服装中，充当“无形”的交互界面。变色纤维有两种类型：非发光变色纤维和发光变色纤维。前者需要外部光源来指示即将发生的颜色变化，从而将其应用限制在简单的交互或识别功能上。用它们实现精确和可控的颜色变化是很困难的。相反，发光变色纤维能够独立发光，无论环境亮度如何，都能显示不同波长的颜色变化。这使它们成为显示和交互功能的理想选择。发光变色纤维的例子包括聚合物纤维和光扩散纤维，它们最初被用作照明设备的线光源。控制纤维内部光传播的全内反射条件被故意通过引入结构或材料缺陷来破坏，从而主动诱导纤维的光泄漏。然而，由于透射损耗和人为缺陷，纤维发光在透射方向上的亮度均匀性和圆周方向的泄漏均匀性无法保证，这大大限制了其作为线光源的应用。
最近，来自华中科技大学材料科学与工程学院的Lu Yan-Qing和Tao Guangming研究团队展示了一种使用热拉伸方法的可穿戴和交互式多色光致变色纤维，以增强纤维结构的设计多功能性。通过采用聚甲基丙烯酸甲酯材料作为内导光层，并在外层集成折射率较低的荧光复合材料。这种同轴结构允许光在纤维内进行全内反射，同时利用荧光材料的波长转换效应来实现均匀而全面的光发射。由于其出色的耐磨性和可编程性，该纤维可以直接集成到日常生活的纺织产品中。通过控制和调节纤维末端特定光源的亮度，显示各种发光编织图案。此外，当与其他传感或图像输入元件结合使用时，它可以在纯纺织品上实现不可感知、可定制和可扩展的用户显示和交互界面。相关成果以“Wearable and interactive multicolored photochromic fiber display”为题发表在期刊《Light: Science & Applications》上。
图 1. a光致变色纤维工业规模制造线的照片。b 光致变色纤维的制造示意图。插图显示了制造和照明的光致变色纤维的照片。c 本作品与商业产品（光扩散纤维）在透射方向上的发光衰减比较。d-f三种类型的光致变色纤维的横截面光学显微照片，显示纤维中不同数量的纤芯，d为单芯红色，e为双芯红绿，f为三芯红、绿、蓝。每种情况下的比例尺对应于 200 μm。g–i 径向观察下的光致变色纤维照片，g 表示 0°、90°、180° 和 270° 角的红色，h 表示 0°、90°、180° 和 270° 角的双芯红色和绿色，i 表示 0°、90°、180° 和 270° 角的三芯红色、绿色和蓝色。
人眼被看作是描述多芯纤维混色临界距离L的透镜。根据晶状体成像原理的定义，临界距离L是在同一视锥细胞上进行眼睛成像后，三个荧光源的成像点之间的距离。视锥细胞负责检测我们视觉中的颜色。模型示意图如图2a所示。人眼对多色的分辨率取决于发光中心之间的距离，即导光核心中心之间的边缘距离。COMSOL仿真表明，多芯纤维的色差随着芯间距的增加而增加（图2e）。此外，色差还与多芯纤维包层的半径有关。根据图2f中圆形包层半径与颜色标准偏差的关系，最佳包层半径为1500 μm，以获得更好的机械性能。
总结和展望
本研究使用热拉伸技术开发了一种可批量生产的光致变色纤维。此外，通过设计和结构分析，通过调节纤维结构和优化混合颜色效果，实现了单根纤维的多色显示。这些纤维与其他感知交互组件和计算机终端相结合，通过纤维图案和亮度的外部信号控制实现动态信息交换。这项工作为可穿戴发光设备在日常生活中的交互应用提供了新的场景。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01383-8
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