5月7日，华中科技大学机械学院先进电子制造研究中心黄永安教授团队在国际知名期刊National Science Review上以“Flexible, multimodal, electrical-sensing-optical-transmission μfiber-sensors via an on-fiber printed electronics strategy(基于光纤表面印刷电子的柔性多模态“电感-光传”微光纤传感器)”为题，发表超细纤维共形喷印及光纤传感领域研究成果。机械学院2020级博士生王洪扬为论文第一作者，黄永安教授、叶冬副教授为共同通讯作者。机械学院卢文龙教授、光电信息学院孙琪真教授、中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所李巍研究员等团队参与本项研究。
光纤传感具有长距离、抗干扰优势，但其多模态感知与信号自解耦面临严峻挑战。传统光纤传感器难以同步感测与解耦多参数，且依赖复杂解调系统与昂贵激光源。近期“光纤内”或“光纤近端”改性策略，仍受限于感知模态单一、分布式能力不足或电信号易受干扰等问题。因此，亟需发展一种集成多模态感知、自解耦与长距离光传输于一体的新型电-光转换传感架构。该项工作主要提出一种柔性分布式多模态“电传感-光传输”光纤传感器，通过光纤上电路将电信号转换为光信号，实现单根光纤对多物理量的同步分布式监测。新型光纤传感器的研制主要突破了以下关键技术：1)如何在高曲率的超细光纤表面实现高精度电路集成制造；2)如何优化光耦合结构，将电致光信号低损耗高效地注入光纤；3)如何在长距离传输中实现多模态信号的高保真、抗干扰传输与波长复用解调。
研究构建了“外部刺激–电学感知–电光转换–光纤传输–光谱解调”一体化智能感知架构，将外部振动、压力、温度、应变四类物理量通过电学单元捕获后，直接在光纤上完成电光信号转换，并以光信号形式侧向耦合进入光纤通路，实现无电磁干扰、低衰减的长距离稳定传输。系统呈现了传感工作流程、纤维共形电–光器件、超细纤维表面微纳打印结构，以及长距离传输与抗电磁干扰对比测试结果，直观印证了该设计在单根光纤内完成多参量采集、信号转换与远程传输的核心能力。
基于萤火虫仿生传感架构设计，团队系统揭示ESOT FiSensor的电学传感与电光转换核心机制，分别建立电压型与电阻型两种适配不同传感单元的信号转换电路，实现物理刺激到电信号、再到光信号的高效、稳定转换。同时，团队设计双段式复合光纤结构，将前端功能化光纤与后端低损耗石英光纤相结合，通过纳米粒子薄膜光学性能表征、光场传输仿真、电场模分布以及限制损耗规律研究，完成面向长距离传输的低损耗结构优化设计，为器件高性能感知与远距离传输提供了理论与实验支撑。
依托传感原理与制造方法，团队成功实现振动、压力、温度、应变四物理量的同步解耦感知，并采用波分复用机制对多通道信号进行编码与区分，将不同物理量对应至独立特征波长，在单根光纤内实现多信号传输与解调。测试结果表明，传感器具备良好线性响应、高灵敏度与优异循环稳定性，在多次弯曲、压缩等机械疲劳测试后仍保持性能稳定，器件间一致性高，充分验证了其多模态、自解耦、高可靠性的感知能力。
为全面验证该技术的工程应用潜力，团队将ESOT FiSensor应用于三大典型场景，成功实现多场景下长距离、多模态、分布式智能感知：在模型车动态运动环境中，完成振动与温度信号的同步解耦与远程监测；在飞行器蒙皮结构上，实现多节点分布式温度场感知，检测误差控制在4.3%以内；在柔性人机交互场景中，基于应变传感阵列实现10种手势高精度识别，识别准确率达98.15%，并实时驱动机械臂完成对应动作。上述结果充分证明，该传感器可满足复杂电磁环境、飞行器蒙皮结构健康监测、远程人机交互等高端场景的核心需求，具备广阔的工程应用前景。
综上，本研究提出了一种基于电-光转换的新型光纤传感器。它实现了振动、压力、温度、应变四种物理量的同步、自解耦与分布式感知。其核心优势在于将电传感的灵敏性与光传输的长距离、抗干扰特性相结合，并通过高精度打印技术在超细光纤上实现共形集成。该技术在航空航天结构监测、无人系统、海洋监测及柔性人机交互等领域具有显著应用优势。
相关工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划项目及湖北省重点研发计划项目的支持。
