Огляд та перспективи застосування брегівських оптичних сенсорів для оцінювання механічних властивостей нанокомпозитів в біоінженерії
DOI:
https://doi.org/10.31649/1681-7893-2026-51-1-243-258Ключові слова:
брегґівські оптичні сенсори; Fiber Bragg Gratings; нанокомпозити; механічні властивості; деформація; напруження; полімерні оптичні волокна; моніторинг; контроль.Анотація
Оцінювання механічних властивостей нанокомпозитних матеріалів є важливою науково-технічною задачею у зв’язку з їх широким впровадженням у біомедичній інженерії, енергетиці, авіакосмічній та автомобільній галузях. Забезпечення достовірного контролю деформацій, напружень, модуля пружності та процесів пошкодження на мікро- і нанорівнях потребує застосування високочутливих методів неруйнівного моніторингу, сумісних з матеріальною структурою об’єкта. У статті виконано систематичний огляд сучасних досліджень, присвячених застосуванню брегґівських оптичних сенсорів (Fiber Bragg Gratings, FBG) для оцінювання механічних властивостей нанокомпозитів. Розглянуто фізичні принципи роботи FBG, механізми передавання деформації від нанокомпозитної матриці до оптичного волокна, а також методи інтеграції сенсорів у композиційні матеріали. Особливу увагу приділено порівняльному аналізу FBG, реалізованих у скляних та полімерних оптичних волокнах, з акцентом на механічну сумісність, чутливість та стабільність вимірювань. Проаналізовано можливості використання FBG для визначення деформацій, напружень, модуля Юнга, коефіцієнта Пуассона, а також для моніторингу ініціації та розвитку пошкоджень у нанокомпозитах. Показано, що брегґівські оптичні сенсори мають суттєві переваги порівняно з традиційними тензометричними методами, зокрема електромагнітну нечутливість, можливість мультиплексування та довготривалу метрологічну стабільність. Окремо розглянуто перспективи застосування FBG у медицині та біоінженерії, включно з in situ та in vivo моніторингом механічних властивостей біосумісних і біорозкладних нанокомпозитів. Визначено ключові напрями подальших досліджень, пов’язані з розвитком полімерних і функціоналізованих FBG, інтеграцією з методами розподіленого сенсорства та використанням цифрових двійників матеріалів.
Посилання
Corning Incorporated. SMF-28® optical fiber. Product information sheet PI-1424-AEN [Електронний ресурс]. URL: https://www.corning.com/media/worldwide/coc/documents /Fiber/product-information-sheets/PI-1424-AEN.pdf
Kallweit J., Petzel M., Pursche F., Jabban J., Morobaid M., Gries T. A review of manufacturing methods for polymer optical fibers with side emission. Textiles. 2021. Vol. 1. P. 337–360. DOI: 10.3390/textiles1040023.
Google Scholar URL: https://scholar.google.com/
Cochrane C., Mordon S. R., Lesage J.-C., Koncar V. New design of textile light diffusers for photodynamic therapy. Materials Science and Engineering: C. 2013. Vol. 33, No. 3. P. 1170–1175. DOI: 10.1016/j.msec.2012.12.010.
Chu J. R., Zhong L. S., Wen X. M., Xu K. H. Study on surface fluorination for attenuation reduction of polymethyl methacrylate polymer optical fiber. Journal of Applied Polymer Science. 2005. Vol. 98, No. 6. P. 2369–2372. DOI: 10.1002/app.22387.
Chu F., Yang J. Plastic optical fiber coil-shaped sensor heads for TNT detection based on fluorescence quenching. Sensors and Actuators A: Physical. 2012. Vol. 175. P. 43–46. DOI: 10.1016/j.sna.2011.12.022.
Xue P., Wu B., Bao G., Zheng J. Helical plastic optical fiber for refractive index sensing. IEEE Sensors Journal. 2020. Vol. 20, No. 10. P. 5237–5242. DOI: 10.1109/JSEN.2020.2967407.
Theodosiou A., Kalli K. Recent trends and advances of Bragg grating sensors in CYTOP polymer optical fibers. Optical Fiber Technology. 2020. Vol. 54. Art. 102079. DOI: 10.1016/j.yofte.2019.102079.
TOPAS Advanced Polymers GmbH. TOPAS® COC cyclic olefin copolymer. Product brochure URL: https://topas.com/wp-content/uploads/2023/05/TOPAS_Product-Brochure.pdf
ZEON Corporation. ZEONEX® optical polymer. Product information: https://www.zeon.co.jp/en/business/enterprise/resin/pdf/200323391.pdf (дата звернення: 07.02.2024).
Stajanca P., Marcos C., Nielsen K., Bang O., Stefani A., Krebber K., Fasano A., Woyessa G., Rasmussen H. K. Fabrication and characterization of polycarbonate microstructured polymer optical fibers for high-temperature-resistant Bragg grating strain sensors. Optical Materials. 2016. Vol. 60. P. 649–659. DOI: 10.1016/j.optmat.2016.08.020.
Orelma H., Hokkanen A., Leppänen I., Kammiovirta K., Kapulainen M., Harlin A. Optical cellulose fiber made from regenerated cellulose and cellulose acetate for water sensor applications. Cellulose. 2020. Vol. 27. P. 1543–1553. DOI: 10.1007/s10570-019-02840-6.
Chennamo N., Arcadio F., Marletta V., Baglio S., Zeni L., Andò B. Magnetic field sensor based on SPR-POF platforms and ferrofluids. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2021. Vol. 70. P. 1–10. DOI: 10.1109/TIM.2020.3038782.
Statkiewicz-Barabach G., Mergo P., Urbanczyk W. Fabry–Perot Bragg grating interferometer made of polymer optical fiber for enhanced resolution sensing. Journal of Optics. 2016. Vol. 19, No. 1. Art. 015609. DOI: 10.1088/2040-8978/19/1/015609.
Hu X., Chen Y., Gao S., Min R., Woyessa G., Bang O., Cui H., Wang G., Caucheteur C. Direct inscription of Bragg gratings in single-mode TOPAS/ZEONEX polymer optical fiber using 520 nm femtosecond pulses. Photonics. 2022. Vol. 9, No. 2. Art. 135. DOI: 10.3390/photonics9020135.
Dengler S. A., Roseau R. W., Luber G. M., Ziemann O., Engelbrecht R., Schmauss B. Performance evaluation of reference reflections in polymer optical fibers for strain sensing // Proceedings of the 27th International Conference on Optical Fiber Sensors (OFS-27). Washington, DC : Optica Publishing Group, 2022.
Gerey A., Wagenende M., Filipkowski A., Sivitski B., Buchynski R., Tienpont G., Van Vlierberghe S., Hernaert T., Dubruel P., Bergmans F. et al. Poly(D,L-lactic acid) (PDLLA) biodegradable and biocompatible polymer optical fiber // Journal of Lightwave Technology. 2019. Vol. 37. P. 1916–1923. DOI: https://doi.org/10.1109/JLT.2019.2891234.
Badó M. F., Casas J. R. A review of distributed optical fiber sensors for structural health monitoring in civil engineering // Sensors. 2021. Vol. 21. Art. 1818. DOI: https://doi.org/10.3390/s21051818.
Abdul Rahuman M. A., Kahathapitiya N., Amarakan W. N., Wijenayake R. E., Silva B. N., Chong M., Kim J., Ravichandran N. K. Recent technological advances in fiber optic sensors for biomechatronics applications // Technologies. 2023. Vol. 11. Art. 157. DOI: https://doi.org/10.3390/technologies11060157.
Fu X., Ran R., Li K., Huang Z., Li D., Zhang R., Fu G., Jin W., Qi Y., Bi W. Multi-mode PDMS-filled temperature sensor based on Vernier effect // IEEE Photonics Journal. 2021. Vol. 13. P. 1–5. DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOT.2021.3059874.
Mumtaz F., Roman M., Zhang B., Abbas L. G., Ashraf M. A., Fias M. A., Dai Y., Huang J. Simple ultra-high sensitivity optical SPR sensor for dual-parameter measurement // IEEE Photonics Journal. 2022. Vol. 14. P. 1–7. DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3147289.
Hani S., Rezaei P. Plasmonic nanostructure-based optical sensors: A review // Heliyon. 2024. Vol. 10. Art. e40923. DOI: https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e40923.
Zhang X., Zhu H., Jiang X., Broere W. Distributed fiber optic sensors for tunnel monitoring: A state-of-the-art review // Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2024. Vol. 16. P. 3841–3863. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.01.012.
Wang K., Dong X., Köhler M. H., Kienle P., Bian Q., Jacobi M., Koch A. W. Advances in multimode interference (MMI) based optical fiber sensors: A review // IEEE Sensors Journal. 2021. Vol. 21. P. 132–142. DOI: https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.3029876.
Arcadio F., Del Prete D., Zeni L., Cennamo N., Seggio M. Optical sensor chips monitored by external optical fiber interrogation schemes // IEEE Sensors Reviews. 2025. Vol. 2. P. 179–198. DOI: https://doi.org/10.1109/JSENREV.2025.3341123.
Janani R., Majumder D., Scrimshire A., Stone A., Wakelin E., Jones A. H., Wheeler N. V., Brooks W., Bingham P. A. From acrylates to silicones: A review of common optical fiber coatings for normal and harsh environments // Progress in Organic Coatings. 2023. Vol. 180. Art. 107557. DOI: https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2023.107557.
Dabagh S., Singh R., Borri C., Chiavaioli F. Functional nanomaterial coatings on optical fibers: Toward enhanced biosensing performance // IEEE Sensors Reviews. 2025. Vol. 2. P. 157–169. DOI: https://doi.org/10.1109/JSENREV.2025.3339981.
Roriz P., Silva S., Frazão O., Novais S. Optical temperature sensors and their biomedical applications // Sensors. 2020. Vol. 20. Art. 2113. DOI: https://doi.org/10.3390/s20072113.
Wang K., Farrell G., Yan W. Investigation of single-mode–multimode–single-mode fiber structures // Journal of Lightwave Technology. 2008. Vol. 26. P. 512–519. DOI: https://doi.org/10.1109/JLT.2007.915031.
Ma S., Xu Y., Pang Y., Zhao H., Li Y., Qin Z., Liu Z., Lu P., Bao X. Optical fiber sensors for high-temperature monitoring: A review // Sensors. 2022. Vol. 22. Art. 5722. DOI: https://doi.org/10.3390/s22155722.
Sokolovskyi P., Lubynskyi J., Wierzbicka P., Czubeck J., Miluski P., Janiak F., Guan S., Szczerska M. Polymer materials for U-shaped optical fiber sensors: A review // Photonics. 2025. Vol. 12. Art. 56. DOI: https://doi.org/10.3390/photonics12010056.
Tavares C., Silva J. O. E., Mendes A., Rebelo L., Domingues M. D., Alberto N., Lima M., Silva G. P., Antunes P. F. D. C. Instrumented office chair with low-cost plastic optical fiber sensors for posture monitoring and workplace optimization // IEEE Access. 2022. Vol. 10. P. 69063–69071. DOI: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3187745.
Pendão C., Silva I. Optical fiber sensors and sensor networks: A review of main principles and applications // Sensors. 2022. Vol. 22. Art. 7554. DOI: https://doi.org/10.3390/s22207554.
Gao X., Xu J., Xie S., Zhang W., Pei L., Zheng J., Li J., Ning T. Strain-insensitive temperature sensor based on few-mode fiber and photonic crystal fiber // IEEE Photonics Journal. 2022. Vol. 14. P. 1–7. DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3149812.
Nejad J. Y., Soroush M., Al-Shammari F. K., Alkhaier A. G. Highly sensitive and linear temperature sensor based on liquid-filled photonic crystal fiber // Optical and Quantum Electronics. 2024. Vol. 57. Art. 32. DOI: https://doi.org/10.1007/s11082-024-05732-6.
Chen N., Guo W., Chen G., Ding X., Yang F., Zhu Y., Song M., Xu Y. Multifunctional polarization beam splitter in fiber based on liquid crystal-filled dual-core photonic crystal fiber with gold layers and its temperature sensing performance // Optics & Laser Technology. 2025. Vol. 191. Art. 113350. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2024.113350.
Zhu K., Zheng G., Ma L., Yao Z., Liu B., Huang J., Rao Y. Advances in fiber-optic extrinsic Fabry–Perot physical and mechanical sensors: A review // IEEE Sensors Journal. 2023. Vol. 23. P. 6406–6426. DOI: https://doi.org/10.1109/JSEN.2023.3258842.
Zhang Y., Li Y., Guo Z., Li J., Ge X., Sun K., Yang Z., Li Z., Huang Y. Health monitoring using optical fiber sensor technology for batteries // eScience. 2024. Vol. 4. Art. 100174. DOI: https://doi.org/10.1016/j.esci.2024.100174.
Galende M., Silska A., Ertman S. Scalable refractive index and liquid level sensors based on multimode interference in hollow-core small-core fibers // Measurement. 2025. Vol. 248. Art. 116977. DOI: https://doi.org/10.1016/j.measurement.2024.116977.
Xu J., Huang K., Zheng J., Li J., Pei L., Ti G., Ning T. Magnetic field sensor with enhanced sensitivity based on hollow-core Fabry–Perot interferometer and Vernier effect // IEEE Photonics Journal. 2022. Vol. 14. P. 1–5. DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOT.2022.3154427.
Katrenova Z., Alisherov S., Abdol T., Molardi S. State and future development of distributed optical fiber sensors for biomedical applications // Sensors and Biosensors Research. 2024. Vol. 43. Art. 100616. DOI: https://doi.org/10.1016/j.sbsr.2024.100616.
Leffers L., Lockmelis J., Bremer K., Roth B., Overmeyer L. Optical bending sensor based on eccentrically microstructured multimode polymer optical fibers // IEEE Photonics Journal. 2021. Vol. 13. P. 1–7. DOI: https://doi.org/10.1109/JPHOT.2021.3074416.
Li K., Yang W., Wang M., Yu X., Fan J., Xun Y., Yang Y., Li L. Review of coating materials used to enhance the performance of optical fiber sensors // Sensors. 2020. Vol. 20. Art. 4215. DOI: https://doi.org/10.3390/s20154215.
Zhang X., Wang K., Zheng T., Wu G., Wu K., Wang Y. Wearable optical fiber sensors in medical monitoring: a review. Sensors. 2023. Vol. 23. Art. 6671. DOI: 10.3390/s23156671.
Zhu L., Sun G., Bao W., Ti Z., Meng F., Dong M. Structural deformation monitoring of aircraft based on optical fiber sensing technology: a review and future prospects. Engineering. 2022. Vol. 16. P. 39–55. DOI: 10.1016/j.eng.2021.10.019.
He R., Shen L., Wang Z., Wang G., Qu H., Hu X., Min R. Optical fiber sensors for heart rate monitoring: a review of mechanisms and applications. Optics Results. 2023. Vol. 11. Art. 100386. DOI: 10.1016/j.rio.2023.100386.
Li J. Review: Development of novel fiber-optic platforms for volume and surface refractive index sensing. Sensors and Actuators Reports. 2020. Vol. 2. Art. 100018. DOI: 10.1016/j.snr.2020.100018.
Chen S., Wang J., Zhang K., Li M., Li N., Wu G., Liu Y., Peng W., Song Y. Monitoring the condition of marine structures using optical fiber sensors: a review. Sensors. 2023. Vol. 23. Art. 1877. DOI: 10.3390/s23041877.
Jean-Ruel H., Albert J. Recent advances and current trends in optical biosensors based on tilted fiber Bragg gratings. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2024. Vol. 174. Art. 117663. DOI: 10.1016/j.trac.2024.117663.
Anjana K., Gerat M., Epaarachchi J. Optical fiber sensors for geo-hazard monitoring: a review. Measurement. 2024. Vol. 235. Art. 114846. DOI: 10.1016/j.measurement.2024.114846.
Bao X., Wang Y. Recent advances in distributed fiber sensors based on Rayleigh scattering. Advanced Devices & Instrumentation. 2021. Vol. 2021. Art. 8696571. DOI: 10.34133/2021/8696571.
Tosi D., Molardi C., Sypabekova M., Blanc W. Advanced distributed optical sensors based on backscattering: tutorial and review. IEEE Sensors Journal. 2021. Vol. 21. P. 12667–12678. DOI: 10.1109/JSEN.2021.3071765.
Mizuno Y., Theodosiou A., Kalli K., Lier S., Li H., Nakamura K. Distributed polymer optical fiber sensors: a review and outlook. Photonics Research. 2021. Vol. 9. P. 1719–1733. DOI: 10.1364/PRJ.427018.
Zheng G., Zhang J., Guo N., Zhu T. Distributed optical fiber sensor for dynamic measurement. Journal of Lightwave Technology. 2021. Vol. 39. P. 3801–3811. DOI: 10.1109/JLT.2021.3064871.
Lu P., Lalam N., Badar M., Liu B., Chorpening B. T., Buric M., Ogodnik P. R. Distributed optical fiber sensing: review and perspective. Applied Physics Reviews. 2019. Vol. 6. Art. 041302. DOI: 10.1063/1.5113959.
Karabanova L. V., Bondaruk O. M., Voronin E. F. Nanocomposites based on multicomponent polymer matrix and nanofiller densil: relaxation properties and morphology. Himija, Fizyka ta Tehnologija Poverhni. 2020. Vol. 11. P. 235–249.
Резанова В. Г., Вільцанюк О. А., Резанова Н. М. Програмне забезпечення для оптимізації складу багатокомпонентних сумішей : монографія. Київ : АртЕк, 2022. 315 с.
Gavrylyuk N. A., Prykhod’ko G. P., Kartel M. T. Odderzhannia ta vlastyvosti nanokompozytiv na osnovi termoplastychnykh polimeriv, napovnenykh vuhletsevymy nanotrubkamy (ohliad). Poverkhnia. 2014. No. 6(21). P. 206–240. URL: https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/550 (дата звернення: 27.02.2024).
El Hawary A., Hasan S., El Sttar R. A., Mohamed S., Bassyouni M. A review on processing and applications of nanocomposites. Journal of Composites and Biodegradable Polymers. 2019. Vol. 7. P. 40–50. DOI: 10.12974/2311-8717.2019.07.6.
Gemachu L. Y., Bogale R. F. A review on the three types of nanocomposites synthesis, characterization and their applications in different areas. Preprints. 2024. DOI: 10.20944/preprints202401.1201.v1.
Kosnikov G., Figovsky O., Eldarkhanov A. Metal matrix micro- and nanostructural composites (review). Chemistry & Chemical Technology. 2015. Vol. 9, No. 2. P. 165–170. URL: https://ena.lpnu.ua/handle/ntb/28314 (дата звернення: 27.02.2024).
Faris A. H. Advances in composite materials: preparation, characterization, and applications in various industries: a review. Anbar Journal of Engineering Science. 2025. Vol. 16, No. 2. P. 143–165.
Sharma D. K., Mahant D., Upadhyay G. Manufacturing of metal matrix composites: a state of review. Materials Today: Proceedings. 2021. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.10.445.
Güler Ö., Bağcı N. A short review on mechanical properties of graphene reinforced metal matrix composites. Journal of Materials Research and Technology. 2020. DOI: 10.1016/j.jmrt.2020.01.050.
Harasim, D.; Kisała, P. Application of Cascaded TFBG for Wavelength-Shift-Based SRI Measurement with Reduced Polarization Cross-Sensitivity. Sensors 2025, 25, 1831. https://doi.org/10.3390/s25061831.
Cao, C.; Hao, W.; Ge, Y.; Chen, J.; Wang, W.; Xu, C. Shape monitoring method of submarine cable based on fiber Bragg grating. Opt. Fiber Technol. 2023, 77, 103255.
Leal-Junior, A.; Frizera-Neto, A. Chapter 8—Smart structures and textiles for gait analysis. In Optical Fiber Sensors for the Next Generation of Rehabilitation Robotics; Elsevier Inc.: Amsterdam, The Netherlands, 2022; pp. 175–200.
Chen, Y.T.; Liao, Y.Y.; Chen, C.C.; Hsiao, H.H.; Huang, J.J. Surface plasmons coupled two-dimensional photonic crystal biosensors for Epstein-Barrvirus protein detection. Sens. Actuators B-Chem. 2019, 291, 81–88.
Kisała, P.; Skorupski, K.; Cięszczyk, S.; Panas, P.; Klimek, J. Rotation and twist measurement using tilted fibre bragg gratings. Metrol. Meas. Syst. 2018, 25, 429–440.
Cięszczyk, S.; Kisała, P.; Mroczka, J. New Parameters Extracted from Tilted Fiber Bragg Grating Spectra for the Determination of the Refractive Index and Cut-Off Wavelength. Sensors 2019, 19, 1964.
Harasim, D.; Kisała, P.; Yeraliyeva, B.; Mroczka, J. Design and Manufacturing Optoelectronic Sensors for the Measurement of Refractive Index Changes under Unknown Polarization State. Sensors 2021, 21, 7318.
##submission.downloads##
-
PDF
Завантажень: 2
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
