理大专属特种光纤研究实验室开创无限应用可能

光纤技术的发展日新月异，其应用范围已从传统的网络连接扩展到工程施工的精确测量，乃至铺设于海床以进行海底通信和环境监测。掌握基于不同材料的光纤拉制技术，可以制造出多样化的光纤光缆，为各行各业开启广范的应用前景和无限的可能性。

香港理工大学（理大）光子技术研究院的副院长谭华耀教授，拥有超过20年的光纤应用研究经验。他创新地将光纤传感器技术应用于多个领域，不仅显著提升了铁路运营效能及安全性，还在医学领域内推动了手术成功率的提高和医疗成本的降低，这些成就充分展示了光纤技术的广阔潜力和实际应用价值。

提早预知问题提升铁路维修效能

列车的安全运行依赖于铁路公司大量的日常检测和维护。其中，车轮需要定期旋修打磨以能确保列车的安全和稳定。

「一般来说，车轮平均每一年半需要进行一次旋修打磨，以确保行车畅顺安全。」谭教授解释道：「但根据行驶路线和具体情况，有些车轮可能三年才需要旋修打磨，过早打磨会降低维修效率并增加维修成本。」

为有效应对这一挑战，港铁安装了由谭教授研发的光纤传感系统。该系统不间断地监测列车运行的关键参数，如温度、行驶速度及车轮磨损状况，通过精准的数据收集，不仅优化了维护计划，并且显著提升运营效率。

「我们只需在指定路轨位置上安置一组传感器，就能检测所有经过列车的状况；且列车上的传感器也能在行驶时无缝监测路轨的情况。」谭教授解释说。通过这种相互验证的机制，可以准确了解路轨和车轮的状况，「再利用机器学习分析不断收集的实时数据，我们甚至能提前半年预测安全问题，并准确推算车轮下一次需要旋修打磨的时间。」

过去几十年来，谭教授一直与铁路公司合作，他的光纤实验室甚至配备了一列路轨以及一部列车模型，用于研究和培训。

「香港国际机场的无人驾驶列车也安装了我们的系统。」谭教授欣然说道。这款列车从路轨两旁取电，当路轨拐弯时，某些位置的空隙可能会变宽，影响供电稳定性，而谭教授的光纤传感器能够持续监测相关情况，确保旅客的出行安全。

降低成本打破旧局限

除了应用广范之外，光纤的成本也相对较低。与传统电缆传感器相比，尽管单个光纤传感器的造价可能略高，但由于其覆盖范围更广，且维护成本更低，因此在总体应用成本上能实现大幅度节省。

传统电缆传感器受限于传输距离，一般仅能覆盖数十米范围，这意味着在长距离的铁路监控中，需要藉助增幅器和中继器以延长信号，而且每次只能兼容一至两条电缆，容易受到列车的电场干扰。在光纤技术出现之前，几乎不可能将监测系统覆盖整条路线。尤其是面对铁路夜间短暂的维修窗口期，要在如此有限的时间内安装数以千计的传统传感器，实际操作上是非常困难的。

相比之下，光纤能精准监测数百米长的路轨，且很少受外界环境因素干扰，因此光纤技术在应用上具有显著优势。

「此外，铁路每晚都需要维修保养，要在极短时间内安装数以千计的传统传感器，几乎是不可能的。」谭教授分享了他的经验，同时说明了光纤的出现为铁路安全保养带来了革命性的改变，「虽然单部光纤传感器的平均造价可能较高，但从整个系统来看，成本可以便宜数十倍甚至上百倍。」

每部港铁列车都配备了独立的无线射频识别编码（RFID），光纤传感器能监测每部列车的运作状况。

谭教授研发的光纤传感器系统亦应用于监察广州电视塔的施工过程。通过在塔身相应位置安装传感器，利用光纤传感器系统实时收集数据，有效监测建筑结构是否有细微偏差，从而确保电视塔的扭纹设计得以精准实施。

桥梁健康监测光纤多元化应用

光纤传感器技术不仅在铁路结构监测中表现出色，还成功应用于连接我校新旧校区的行人天桥，成为保障公共安全的又一例证。

「行人天桥从设计、施工到落成，我们全程参与，确保监测系统与工程进度紧密协同。」谭教授介绍说。这座跨越多条车道的行人天桥，通过集成光纤传感系统，能够有效监测到如极端天气或车辆通行引起的结构振动，及时发现可能影响桥梁安全的微小变化。一旦智能监测系统预测到任何异常，就会立即通知相关管理单位。

「天桥本身的设计已经非常完善，而光纤监测技术的应用不仅是对现有结构的一次科技升级，更是证明了光纤技术在桥梁维护及公共设施健康管理方面的潜能。」谭教授补充道。

光纤医学应用康复伤健听力

光纤传感技术在个人医疗装置中也发挥着重要作用，以提升医疗效果。

人工耳蜗手术被视为恢复听障人士听力的理想方法。医生会将一个特制的电极装置缓慢地插入患者的内耳，绕过毛细胞，然后于适当位置施加信号以刺激听觉神经，从而恢复患者的听力。

然而，人工耳蜗手术费用极为昂贵，因为装置必须精确地插入内耳，否则会损伤神经并造成永久创伤，并且装置必须与相应的听觉神经位置匹配，才能接收到正常的音频。基于手术的难度，每次手术的费用从几十万到上百万不等。

「人体内耳的结构呈螺旋状，某些位置的宽度不足0.5毫米，因此在放入装置时必须非常小心，极其依赖于医生的经验和技巧。」谭教授解释道。

光纤传感技术的介入，为这一挑战提供了新的解决方案。「我们把光纤传感器集成在电极装置内，在手术过程中便可实时了解其在内耳的位置，避免造成伤害，同时确保电极与听觉神经的精准对接。」谭教授说。目前，谭教授的研究团队已与澳洲墨尔本大学的教授及医生合作，将这一创新技术推进至临床应用阶段。

「过去这项技术无法实现，是因为光纤传感器的材料不适合人体使用。」谭教授说。一般的光纤传感器以玻璃材料制作，无法承受内耳尺寸的微小弯曲，并且会导致内耳受伤，「全世界几乎只有理大拥有自己的光纤拉制设备，可研发基于不同材料的光纤，使我们能够制作出适合人体应用的光纤。」

此外，当装置位置可以被监测时，人工耳蜗手术便不再只依赖于医生的经验和技巧。谭教授下一步的研究是利用机器人进行手术，最终降低手术费用，「这有望大幅增加人工耳蜗手术的可及性，真正让更多患者受益，造福世界。」

谭教授研发的基于光纤传感器的人工耳蜗。

此外，光纤传感技术亦可应用于骨科植入装置上。

对于接受骨科手术的患者而言，适时且适宜的活动对于康复至关重要。目前，评估活动强度和康复进度往往基于医生对患者主观反馈的判断。谭教授介绍说，「如果在固定器上安装光纤传感器，就可以客观地监测康复进度，从而提供准确的康复指导。病人还可以在家中远程接受康复评估，无须频繁来回医院，大大提升了治疗的便捷度和患者的生活质量。」