Maria Eduarda T. Marinho、Lúcia Bilro和Ricardo Oliveira撰写的研究工作发表在IEEE Sensors Journal（vol. 25, no. 4, 15 February 2025）。论文题目为“Embedded Optical Fiber Bragg Grating in 3D-Printed Membranes for Monitoring Finger Flexion Movement”。该研究由 Universidade de Aveiro 的 Instituto de Telecomunicações 和 Physics Department 完成，并得到了 FCT（Fundação para a Ciência e Tecnologia）的资助。
这项研究关注手部关节运动的监测领域，特别是食指关节的运动检测。人手是上肢中最远端的部分，其灵活性和功能性对于日常活动具有重要意义。然而，许多与手相关的运动功能障碍会严重限制患者的自主活动，常需通过物理治疗来恢复功能。传统的康复评估技术如机械式量角器，因测量误差高、不适用动态测量且仅能评估单一关节而受到限制。这促使研究人员开发新的敏感器件，以提高康复评估和治疗的效率。
近年来，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器因包括灵敏度高、集成能力强、抗电磁干扰性优越等优点，逐渐受到康复领域的关注。然而，如何将FBG传感器嵌入灵活的结构中以监测复杂的手指运动，同时保持传感器的稳定性和高灵敏度，依然是一个挑战。因此，该研究旨在开发一种嵌入FBG的3D打印薄膜敏感器件，用于监测手指关节的运动，特别是对食指关节的弯曲进行精确且动态的监测。
该研究包括以下步骤：
FBG传感器制造的核心包括在未掺杂的标准单模光纤（ITU G.652, Iberoptics SLWP 2501）中刻写布拉格光栅。研究所用设备为248 nm KrF激光器，采用相位掩模法生成4 mm光栅，设计了不同布拉格波长的阵列以防止光谱重叠。最终输出的布拉格波长范围在1536.08–1551.98 nm之间，并通过Luna Hyperion SI155光谱仪进行光学特性测试。
薄膜设计为120 mm长、15 mm宽，厚度分别为1, 2, 3和4 mm不等，用DLP打印机（Anycubic Photon M3 Plus）打印，使用了一种具有高柔韧性和弹性的光聚合物树脂。在打印后，该树脂膜经过清洗与后固化工艺以保证性能。最终的薄膜厚度为1.8, 3.21, 3.90和5.07 mm。
FBG传感器通过与薄膜结合形成完整的敏感组件。光纤放置于薄膜中央，并使用相同的光聚合物树脂固定。最终组件经过紫外线初固化和80°C热处理以确保树脂达到标准化特性。
研究采用两种方法对传感器进行传感性能表征： - 线性传感器方法：光纤的一端固定，另一端通过线性位置器进行拉伸或弯曲操作。 - 使用预设曲率的3D打印模具：为确保曲率校准的准确性，特别设计了一套带有已知曲率半径的硬质模具，用薄膜夹在两块模具中间进行实验。
两种方法均被用来研究传感器对湿度、温度和曲率的响应。
为满足同时监测多关节运动的需求，研究团队设计了一款多路复用传感器。光纤带有三个FBG阵列，沿光纤长度按照手指的关节长度间隔分布，这些光栅反映分别对应三个关节的运动。
单独的FBG传感器对温度变化表现出敏感性，其波长变化约为10 pm/°C。嵌入膜的FBG传感器同样展现了对温度的响应，且不同膜厚的传感器在较大范围内表现出不同的温度敏感性（12.3–26.6 pm/°C之间），但未表现出明显厚度与温敏性之间的规律。
对于初始测试，嵌入膜的传感器波长漂移随曲率线性增加。具体而言，传感器的灵敏度随膜厚度显著提高，例如1 mm和4 mm厚的薄膜分别展现了0.49与3.23 nm/m−1的曲率灵敏度。然而，较厚的膜也带来了光纤的变形风险和运动限制问题。
湿度表征显示，FBG所嵌入的树脂膜能吸收水分并导致膨胀，从而引起FBG波长位移。实验中，随湿度升高30%，波长漂移达60–70 pm。
在模拟手指弯曲的情况下，三个FBG传感器在曲率半径为50 mm和60 mm的模具上分别获得了58.2 mm, 53.4 mm以及53.0 mm的测试值，验证了可同时监测多个关节运动的能力。
研究成果证明嵌入FBG的3D打印膜可有效监测手指关节运动。其创新点在于通过控制膜厚优化传感灵敏度与柔韧性，在多路复用测试中展现了卓越的曲率监测能力。该传感器未来可广泛应用于手功能康复评估，帮助治疗师更好地分析和诊断手部运动障碍，量化关节活动范围，提高康复质量。
这项研究为柔性光纤传感器在运动恢复领域的应用奠定了重要基础，可促进定量康复评估工具的普及，也为其他生物医学工程应用提供了技术参考。