综述：柔性光子波导与纺织品：材料、制备技术及其在可穿戴传感领域的应用前景

《Materials Today Physics》：Flexible photonic waveguides and textiles: Materials, Fabrication Techniques, and Emerging Applications in Wearable Sensing

　　

穆罕默德·阿里·布特

波兰华沙工业大学，微电子与光电子学研究所，科希科娃街75号，00-662，华沙

摘要

光子技术与柔性材料的结合催生了柔性光子波导和光子纺织品的出现，这些技术为下一代可穿戴传感系统的发展奠定了基础。这类系统将光学功能与机械适应性相结合，实现了与人体和动态环境的无缝对接。本文全面分析了用于柔性光子平台的材料，包括聚合物、水凝胶、弹性体和可生物降解物质，重点介绍了它们的光学特性、机械行为和生物相容性。文章还讨论了多种制造技术，如纳米压印、3D打印、光纤拉伸和卷对卷加工，并强调了这些技术的可扩展性和集成能力。此外，文章探讨了不同的波导架构以及通过编织和刺绣将光子元件融入纺织品的方法。同时分析了光子纺织品作为具有传感、显示和驱动功能的智能服装的潜力。文中也指出了目前存在的问题，如光学损耗、机械耐久性、能量集成和制造可扩展性等方面的挑战。最后，文章概述了未来发展方向和跨学科策略，以克服这些限制，充分实现柔性光子系统在现实世界可穿戴应用中的潜力。

引言

光子技术与柔性材料的结合推动了专为可穿戴技术设计的创新传感平台的发展。柔性光子波导和光子纺织品是一类革命性的设备，它们将导光元件集成到柔软且可变形的基底中，从而实现了与动态环境和人体的无缝交互。这类系统在推进物联网（IoT）、医疗监测和人机交互方面发挥着关键作用，提供了实时、无创和连续的传感能力。

传统的光子设备大多为刚性和平面结构，在与弯曲或移动表面接口时存在局限性。相比之下，由水凝胶、弹性体和生物相容性聚合物制成的柔性光子波导具有机械适应性，能够适应复杂几何形状而不影响光学性能。光子纺织品通过将光纤或波导嵌入织物结构中，进一步扩展了这一概念，使得服装具备了传感、通信甚至驱动功能。将光子元件集成到柔性基底中具有多种优势，如适应性、轻量化、生物相容性和低功耗。这些特性使得柔性光子系统成为刚性设备的更优替代品，特别是在需要隐蔽和连续监测的应用场景中。

最近的进展展示了柔性光子设备在多个领域的多功能性。在医疗领域，它们能够实时监测心率、呼吸和血糖等生理参数；在环境监测方面，可用于检测有害气体和污染物；在软体机器人领域，它们可实现触觉感知和反馈机制。尽管取得了显著进展，但在柔性光子系统的制造和集成方面仍存在挑战，需要解决光学损耗、机械耐久性和可扩展制造等问题。新兴的解决方案包括开发具有增强光学和机械性能的新材料，以及采用3D打印和卷对卷加工等先进制造技术。

最新研究还展示了适用于日常健康监测的手腕佩戴式光子平台，强调了柔性波导和纺织品集成光学技术的应用潜力。例如，李等人报道了一种可穿戴的光子智能手环，可用于评估心肺功能（如呼吸/心率相关指标）和生物特征识别，展示了如何将聚合物光子传感器封装在实际的形态中。此外，匡等人提出了一种基于聚合物光纤和散斑图案分析的智能光子手环，为可穿戴生理传感提供了稳健的非电气光学读出方式。

这些进展表明，从实验室原型向用户可使用的腕戴式产品的发展势头日益强劲，进一步强调了本文讨论的可扩展材料、纺织品集成途径和可靠性 considerations 的重要性。

本文深入探讨了快速发展的柔性光子波导和光子纺织品领域，特别关注其在可穿戴传感技术中的应用。文章涵盖了从传统聚合物和弹性体到新兴的可生物降解和生物集成物质的广泛材料，详细分析了与柔性光子技术相关的光学和机械特性。同时探讨了多种制造方法，包括微纳压印、增材制造、热拉伸和基于纺织品的集成技术（如刺绣和编织）。文章还分类了不同类型的柔性波导（平面波导、空芯波导、微结构波导和多材料纤维），分析了它们在机械变形下的性能及其在特定应用中的适用性，并讨论了将光子元件融入纺织品的技术。此外，还批判性地评估了与耐久性、光学损耗、可扩展制造和能量管理相关的关键挑战。通过整合最新进展并概述未来研究方向，本文旨在为柔性光子系统在医疗、环境监测和下一代人机交互领域的开发和应用提供基础理解和前瞻性视角。

部分摘录

柔性光子技术所需的材料

根据上述应用驱动的视角，柔性光子波导和光子纺织品的性能、可靠性和可扩展性本质上取决于材料选择。与传统的刚性光子平台不同，可穿戴和纺织品集成的系统对材料提出了光学、机械和生理方面的多重要求，要求材料在变形时具有低光学损耗和稳定的折射率对比度。

制造技术

柔性光子波导的开发及其在纺织品平台中的集成需要先进的制造策略，以确保其机械灵活性、光学性能和与可穿戴系统的兼容性。已经采用了多种关键制造技术来实现这些波导，每种技术都在可扩展性、分辨率和材料兼容性方面具有独特优势。

柔性波导的类型

柔性光子波导是可穿戴光学系统发展的关键组成部分，它们能够在适应动态和可变形表面（如纺织品和皮肤）的同时传输光信号。这类波导设计用于在机械应变下保持光学性能，适用于生物传感和通信等多种应用。

光子纺织品

光子纺织品是一种新型智能材料，结合了传统纺织品的柔软性和柔性以及光子系统的光学功能。这些纺织品包含导光元件（如光纤或发光元件），可用于可穿戴传感、通信和交互式显示。

挑战与展望

将柔性光子波导集成到纺织品中的发展为可穿戴传感应用带来了巨大潜力。然而，在这些系统得到广泛应用之前，必须解决一些技术和实际问题。主要挑战包括光子纺织品的耐久性和可洗涤性。可穿戴系统会受到持续的机械变形（如拉伸、弯曲和扭转）以及环境因素（如重复暴露）的影响。

结论

柔性光子波导和光子纺织品代表了可穿戴传感技术发展的重大进步。本文探讨了多种材料，包括聚合物、水凝胶、弹性体和新兴的可生物降解物质，每种材料都提供了对柔性、生物相容性和性能至关重要的光学和机械特性组合。同时介绍了微纳压印、3D打印、光纤拉伸等制造策略。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

资助

本研究未接受任何外部资助。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。