理大專屬特種光纖研究實驗室 開創無限應用可能

理大專屬特種光纖研究實驗室 開創無限應用可能

光纖技術的發展日新月異，其應用範圍已從傳統的網絡連接擴展到工程施工的精確測量，乃至鋪設於海床以進行海底通信和環境監測。掌握基於不同材料的光纖拉製技術，可以製造出多樣化的光纖光纜，為各行各業開啓廣範的應用前景和無限的可能性。

香港理工大學（理大）光子技術研究院的副院長譚華耀教授，擁有超過20年的光纖應用研究經驗。他創新地將光纖傳感器技術應用於多個領域，不僅顯著提升了鐵路運營效能及安全性，還在醫學領域内推動了手術成功率的提高和醫療成本的降低，這些成就充分展示了光纖技術的廣闊潛力和實際應用價值。

提早預知問題 提升鐵路維修效能

列車的安全運行依賴於鐵路公司大量的日常檢測和維護。其中，車輪需要定期旋修打磨以能確保列車的安全和穩定。

「一般來説，車輪平均每一年半需要進行一次旋修打磨，以確保行車暢順安全。」譚教授解釋道：「但根據行駛路線和具體情況，有些車輪可能三年才需要旋修打磨，過早打磨會降低維修效率並增加維修成本。」

為有效應對這一挑戰，港鐵安裝了由譚教授研發的光纖傳感系統。該系統不間斷地監測列車運行的關鍵參數，如溫度、行駛速度及車輪磨損狀況，通過精準的數據收集，不僅優化了維護計劃，並且顯著提升運營效率。

「我們只需在指定路軌位置上安置一組傳感器，就能檢測所有經過列車的狀況；且列車上的傳感器也能在行駛時無縫監測路軌的情況。」譚教授解釋說。通過這種相互驗證的機制，可以準確了解路軌和車輪的狀況，「再利用機器學習分析不斷收集的實時數據，我們甚至能提前半年預測安全問題，並準確推算車輪下一次需要旋修打磨的時間。」

過去幾十年來，譚教授一直與鐵路公司合作，他的光纖實驗室甚至配備了一列路軌以及一部列車模型，用於研究和培訓。

「香港國際機場的無人駕駛列車也安裝了我們的系統。」譚教授欣然説道。這款列車從路軌兩旁取電，當路軌拐彎時，某些位置的空隙可能會變寬，影響供電穩定性，而譚教授的光纖傳感器能夠持續監測相關情況，確保旅客的出行安全。

降低成本 打破舊局限

除了應用廣範之外，光纖的成本也相對較低。與傳統電纜傳感器相比，儘管單個光纖傳感器的造價可能略高，但由於其覆蓋範圍更廣，且維護成本更低，因此在總體應用成本上能實現大幅度節省。

傳統電纜傳感器受限於傳輸距離，一般僅能覆蓋數十米範圍，這意味著在長距離的鐵路監控中，需要藉助增幅器和中繼器以延長信號，而且每次只能兼容一至兩條電纜，容易受到列車的電場干擾。在光纖技術出現之前，幾乎不可能將監測系統覆蓋整條路線。尤其是面對鐵路夜間短暫的維修窗口期，要在如此有限的時間內安裝數以千計的傳統傳感器，實際操作上是非常困難的。

相比之下，光纖能精準監測數百米長的路軌，且很少受外界環境因素干擾，因此光纖技術在應用上具有顯著優勢。

「此外，鐵路每晚都需要維修保養，要在極短時間內安裝數以千計的傳統傳感器，幾乎是不可能的。」譚教授分享了他的經驗，同時說明了光纖的出現為鐵路安全保養帶來了革命性的改變，「雖然單部光纖傳感器的平均造價可能較高，但從整個系統來看，成本可以便宜數十倍甚至上百倍。」

每部港鐵列車都配備了獨立的無線射頻識別編碼（RFID），光纖傳感器能監測每部列車的運作狀況。

譚教授研發的光纖傳感器系統亦應用於監察廣州電視塔的施工過程。通過在塔身相應位置安裝傳感器，利用光纖傳感器系統實時收集數據，有效監測建築結構是否有細微偏差，從而確保電視塔的扭紋設計得以精準實施。

橋樑健康監測 光纖多元化應用

光纖傳感器技術不僅在鐵路結構監測中表現出色，還成功應用於連接我校新舊校區的行人天橋，成爲保障公共安全的又一例證。

「行人天橋從設計、施工到落成，我們全程參與，確保監測系統與工程進度緊密協同。」譚教授介紹說。這座跨越多條車道的行人天橋，通過集成光纖傳感系統，能夠有效監測到如極端天氣或車輛通行引起的結構振動，及時發現可能影響橋樑安全的微小變化。一旦智能監測系統預測到任何異常，就會立即通知相關管理單位。

「天橋本身的設計已經非常完善，而光纖監測技術的應用不僅是對現有結構的一次科技升級，更是證明了光纖技術在橋梁維護及公共設施健康管理方面的潛能。」譚教授補充道。

光纖醫學應用 康復傷健聽力

光纖傳感技術在個人醫療裝置中也發揮著重要作用，以提升醫療效果。

人工耳蝸手術被視為恢復聽障人士聽力的理想方法。醫生會將一個特製的電極裝置緩慢地插入患者的内耳，繞過毛細胞，然後於適當位置施加信號以刺激聽覺神經，從而恢復患者的聽力。

然而，人工耳蝸手術費用極為昂貴，因為裝置必須精確地插入内耳，否則會損傷神經並造成永久創傷，並且裝置必須與相應的聽覺神經位置匹配，才能接收到正常的音頻。基於手術的難度，每次手術的費用從幾十萬到上百萬不等。

「人體內耳的結構呈螺旋狀，某些位置的寬度不足0.5毫米，因此在放入裝置時必須非常小心，極其依賴於醫生的經驗和技巧。」譚教授解釋道。

光纖傳感技術的介入，為這一挑戰提供了新的解決方案。「我們把光纖傳感器集成在電極裝置內，在手術過程中便可實時了解其在內耳的位置，避免造成傷害，同時確保電極與聽覺神經的精準對接。」譚教授說。目前，譚教授的研究團隊已與澳洲墨爾本大學的教授及醫生合作，將這一創新技術推進至臨床應用階段。

「過去這項技術無法實現，是因為光纖傳感器的材料不適合人體使用。」譚教授說。一般的光纖傳感器以玻璃材料製作，無法承受内耳尺寸的微小彎曲，並且會導致內耳受傷，「全世界幾乎只有理大擁有自己的光纖拉製設備，可研發基於不同材料的光纖，使我們能夠製作出適合人體應用的光纖。」

此外，當裝置位置可以被監測時，人工耳蝸手術便不再只依賴於醫生的經驗和技巧。譚教授下一步的研究是利用機器人進行手術，最終降低手術費用，「這有望大幅增加人工耳蝸手術的可及性，真正讓更多患者受益，造福世界。」

 

此外，光纖傳感技術亦可應用於骨科植入裝置上。

對於接受骨科手術的患者而言，適時且適宜的活動對於康復至關重要。目前，評估活動强度和康復進度往往基於醫生對患者主觀反饋的判斷。譚教授介紹說，「如果在固定器上安裝光纖傳感器，就可以客觀地監測康復進度，從而提供準確的康復指導。」

將光纖傳感器安裝在固定器上，能檢測骨傷病人的康復進度。

理大光纖實驗室 獨特光纖材料的專業研發

光纖技術的應用範疇極爲廣泛，其核心在於根據不同應用場景選擇適宜的光纖材料。理大擁有自家研發實驗室，能製作出世界獨有的基於不同材料的光纖。

「平時我喜歡在實驗室裡不斷嘗試新材料，看看能有什麼突破。」譚教授展示了一個港鐵專用的光纖傳感器，解釋説，「因為它包含獨特結構，這些裝置也是我們在實驗室內為他們特別製造的。」

除了先進的實驗設施，譚教授對光纖技術的熱誠，更是推動光纖傳感應用廣泛發展的關鍵動力。

理大特種光纖研究實驗室。

 

 

為港鐵研發光纖傳感技術的譚教授（左）與光子技術研究院院長呂超教授（右）於傳感器製備儀器前合照。

譚教授的熱誠令光纖傳感應用得以發揚光大。