针对上述挑战，中国科学技术大学庄涛涛教授团队与合作者提出了一种全新的“偏振增强传感”技术方案。研究团队通过开发一种离散螺旋锚定策略，在纤维挤出过程中自主嵌入圆偏振发光材料，成功制备出长度超过1300米的“自旋光子纤维”。该纤维不仅实现了0.41的发光不对称因子（较现有报道提升一个数量级），更通过将信号产生、解耦与传输功能集成于单根纤维，从源头实现了信号分割与噪声抑制，在动态场景中信号熵降低达92.63%。系统归一化信噪比（NSNR）达到理论极限的1.0，对应实际信噪比为82.04 dB，展现出接近无噪声的卓越性能。

相关论文以“Ultralong, spin-photon fibres enable polarization-enhanced wearable sensing”为题，发表在Nature Communications上。

纤维设计与规模化制备

从微观螺旋到千米级连续生产

为实现高性能光子纤维的规模化制备，研究团队提出了一种离散螺旋锚定策略。他们选择胆甾相液晶作为手性主体，并引入激光染料作为发光组分，构建具有强圆偏振发光特性的复合体系。同时，采用海藻酸钠凝胶聚合物作为“微型仓库”，利用其水性粘稠特性固定内部有序结构。在同轴微流体纺丝过程中，通过精确调控内相（液晶复合物）与外相（海藻酸钠前驱体溶液）的流速比，产生的剪切力促使液晶相发生瑞利-普拉托不稳定性，碎裂为单分散微球，并被凝胶外壳均匀包裹，最终形成核-壳结构的纤维前体。经过钙离子交联固化和甘油置换增强水合稳定性后，纤维实现了稳定的微观相分离结构。

图1 | 自旋光子纤维实现偏振增强型可穿戴传感。 a，示意图展示了基于所设计纤维织物的偏振增强传感原理，涉及光子自旋信号的产生（i）、传输与解码（ii）。b，偏振增强传感优势示意（i），其在机器视觉任务中的应用场景（ii），以及在虚拟现实（VR）和机器人遥操作中的拓展应用（iii）。c，纤维在手上的照片，显示其皮肤友好性。比例尺，1 cm。d–e，纤维内部螺旋微球的光学显微镜图像（d），在圆偏振片下产生具有差异强度的光子自旋信号（e）。比例尺，500 μm。

基于这一方法，团队成功实现了千米级连续生产，单根纤维长度超过1300米，是目前报道的最长偏振光纤。X射线三维重构清晰地揭示了纤维内部嵌入的微球结构（图2e）。进一步地，他们分别制备了长达300米的红、绿、蓝三色发光纤维（图2f），满足智能纺织品多色发射的需求。所得纤维柔软坚韧，弯曲半径可达10⁻⁵米，杨氏模量4.17 MPa，平均断裂强度0.56 MPa，可承受500克负载，并能经受扭曲、打结等穿戴操作，在洗衣液和环己烷中保持稳定。光漂白测试进一步证实，纤维在连续紫外照射下具有长期的光稳定性。研究团队还将这些纤维成功应用于工业刺绣和交互式织物编织（图2g、h），验证了其与现代纺织制造工艺的良好兼容性。此外，外置紫外光源对皮肤侧的辐照度仅为0.035 mW/cm²，低于0.1 mW/cm²的安全限值，确保了穿戴安全性。

图2 | 自旋光子纤维的制备。 a，用于连续生产自旋光子纤维的装置示意图。b–c，同轴流体剪切和相分离的COMSOL模拟（上）及照片（下）（b），以及溶剂交换后的相场图像（c）。比例尺，500 μm。d，单根长度达1300米的纤维照片及相应的圆偏振片下强度对比。e，X射线三维重构图像，显示嵌入微球的内部结构。比例尺，100 μm。f，300米红、绿、蓝发光纤维照片。比例尺，5 cm。g，纤维工业刺绣加工照片。比例尺，1 cm。h，纤维编织织物照片。比例尺，5 cm。

圆偏振发光特性

高不对称因子与环境稳定性

纤维的光子自旋发射源于手性结构对嵌入分子发射体的自旋选择性。当染料分子被光激发后，发射携带自旋角动量的光子，这些光子在穿过胆甾相液晶形成的一维光子晶体结构时，经历自旋选择性滤波——优先透射与手性主体螺旋性相反的光子，从而实现圆偏振光的产生。扫描电镜与光学显微镜图像显示，纤维具有清晰的核-壳结构，内部包含胆甾相液晶微球（图3b、c）。傅里叶变换红外光谱证实，纤维制备过程中未发生新化学键形成，各组分特征峰保持独立（图3d）。

在偏振光学显微镜下，红、绿、蓝三色微球在左旋和右旋圆偏振片下呈现出显著的明暗差异（图3e），荧光强度差异超过30%（图3f）。圆偏振发光光谱测量显示，纤维的发光不对称因子最高可达0.41（图3g、h），远超现有报道。在10–40℃的加热-冷却循环测试中，纤维的CPL和glum值保持恒定，在31.9℃（人手平均温度）下放置24小时后仍保持0.36的高glum值，表现出优异的温度稳定性和可逆性。偏振分析仪测量进一步确认了纤维的高圆偏振纯度，其极化图显示对线偏振角度不敏感，排除了线偏振噪声的干扰。即便在274勒克斯（相当于明亮办公室照明）的环境光下，纤维仍能保持稳定的偏振分辨能力，8米远的全向传输距离完全满足交互需求。

图3 | 纤维的圆偏振表征。 a，纤维内螺旋微球的光子自旋选择性示意图。b–c，溶剂交换后纤维横截面的SEM（b）和光学显微镜（c）图像。比例尺，100 μm。d，纤维及其前驱体的FTIR光谱。e–f，在圆偏振片下纤维内红、绿、蓝微球的光学显微镜图像（e）及荧光强度分布（f）。比例尺，10 μm。g–h，红、绿、蓝色纤维的圆偏振发光光谱（g）及对应的gₗᵤₘ光谱（h）。i，不带（j）四分之一波片（暗场）时的偏振角度响应。k，环境光（274勒克斯）对纤维发射强度的影响，显示其环境鲁棒性和实际应用适用性。

偏振增强传感系统

实现信号源头解耦与超高信噪比

研究团队将纺成的光子纤维编织成手套，构建了一套完整的计算成像框架。该框架将手套的自旋光子发射作为偏振选择性信号源，结合实时差分算法进行图像重建（图4a）。系统通过CMOS传感器阵列分别采集左旋和右旋圆偏振通道信号，经光电转换为模拟电压波形，再由16位模数转换器数字化。实时差分算法通过减去通道灰度值，将自旋偏振分量从干扰中分离出来，最终映射为光子自旋密度图像。

系统校准结果显示其具有出色的重复性和超低的暗偏振噪声（图4b）。在黑暗（0勒克斯）和274勒克斯照度下，自旋光子成像均表现出优异的抗干扰稳定性（图4c）。系统对0°、45°、90°和135°线偏振输入几乎无响应（图4d），验证了自旋信号的特异性。在倾斜角达±50°范围内，系统仍能准确检测光子自旋信号（图4e），实时成像帧率达30帧/秒，可与动态系统无缝集成（图4f）。编织手套展现出良好的穿戴适形性（图4g），经商业洗衣机洗涤60次循环后仍保持稳定。在手指弯曲、局部弯折和扭转等穿戴相关形变下，纤维的CPL和glum值保持显著稳定，其自旋发射即使在强信号干扰下也能被准确解译，实现目标信号与重叠噪声源的有效解耦（图4h、i）。

图4 | 偏振增强传感。 a，光纤编织手套的光子自旋信号解码系统级框图。光子自旋信号首先经双通道信号采集，然后转换为数字信号，经实时处理实现自旋密度映射。b，实时成像系统的回环稳定性测试（上）及明亮场景下的噪声测量（下）。c，左旋和右旋光纤编织织物在暗场（左）和274勒克斯（右）下的自旋成像，显示优异的抗干扰稳定性。比例尺，1 cm。d，成像系统对0°、45°、90°和135°线偏振输入的响应光谱。比例尺，1 cm。e，左旋和右旋纤维的gₗᵤₘ值随成像角度的变化。f，光子自旋信号的动态解码成像（274勒克斯下）。g，光纤编织手套照片。比例尺，5 cm。h，在复杂光场中圆偏振手套的照片（左）及自旋密度映射图像（右）。

多模态应用

从机器视觉到机器人遥操作与虚拟现实

基于上述传感平台，研究团队进一步构建了多模态传感系统，归一化信噪比（NSNR）达1.0，对应实际信噪比82.04 dB，信号熵降低92.63%。在边缘检测任务中，偏振增强传感直接输出清晰、连续的轮廓，无需后处理滤波；而传统成像方法则需要大量噪声过滤（图5b）。在语义分割任务中，前者利用光子自旋信号的解耦特性，呈现出清晰的手指区域边界，后者则无法有效区分目标区域（图5c）。在信息识别方面，偏振增强传感同样提供了更精确的输出，避免了无关信号的干扰。

依托该技术，团队实现了100%精度的虚拟现实交互（图5d），并开发了沉浸式高精度机械臂控制系统（图5e）。操作者穿戴圆偏振手套，可在VR头显实时视觉反馈下实现抗干扰操控（图5f）。在模拟火星车远程控制场景中（图5g），偏振增强引导确保了在模拟火星地形中目标抓取的成功率达100%（图5h）。对机械臂运动轨迹的聚类分析表明，在多手干扰条件下，偏振增强传感的控制精度显著优于传统方法（图5i）。混淆矩阵进一步量化了这一差异（图5j–l），传统传感的误差率为60.5%，而偏振增强传感实现了0%的误差率，在容错要求极高的高精尖领域建立了一种全新范式。

图5 | 可穿戴传感应用。 a，基于纤维发射光子自旋信号的多模态传感及应用示意图。偏振增强传感涉及信号产生与解码，应用于机器视觉任务，并拓展至虚拟现实（VR）和机器人控制。b–c，偏振增强传感（上）与传统成像（下）的边缘检测（b）和语义分割性能（c）归一化信号光谱，附对应图像。d，使用光纤编织手套的VR交互图像（镜像）。e，利用偏振增强传感进行目标抓取的沉浸式精密操作界面概念图。f，基于偏振增强传感的远程精密控制机械臂。g–h，基于偏振增强传感的火星车目标抓取演示。i，在多手干扰下传统（左）与偏振增强（右）传感的机械臂轨迹聚类分析。j–k，传统传感（j）与偏振增强传感（k）的目标识别混淆矩阵。l，传统传感（60.5%）与偏振增强传感（0%）的误差率。

总结与展望

本研究通过发展离散螺旋锚定策略，将自旋偏振态嵌入可无限生产的纤维中，实现了穿戴式偏振增强传感。通过将光子自旋信号的产生、解耦与传输功能集成于单根纤维，系统达到了理论极限的归一化信噪比（NSNR=1.0）及92.63%的信号熵降低，在信号耦合与干扰密集的环境中实现了无误差传感，并在多维机器人控制中达到100%的精度。该偏振增强传感技术及其在机械臂遥操作、虚拟现实和机器视觉中的应用，满足了现代工业发展对环境无感传感的需求。这项工作为下一代智能纺织品建立了通用接口，标志着人机界面中无误差传感新时代的到来。