技术前沿 | 塑料也能做光谱仪？剑桥团队用“智能形变塑料”打造可量产、低成本、宽光谱的微型光谱平台

在智能手机镜头中，塑料光学元件早已大放异彩——轻巧、低成本、易于量产，同时性能不输传统玻璃。如今，这一思路正被拓展至更前沿的领域：光谱仪。

2025年7月，来自剑桥大学、浙江大学、浙江理工大学与南洋理工大学的国际联合研究团队，成功开发出一种基于塑料材料的新型微型光谱仪平台。该设备突破了传统光谱仪在成本、尺寸与光谱范围之间的权衡限制，有望将高精度光谱成像技术带入家庭健康监测、食品安全、农业传感乃至消费电子等广阔场景。

覆盖可见光到短波红外，性能媲美专业设备

这款新型光谱仪的核心，是一种名为双酚A环氧树脂（bisphenol A epoxy）的透明“形状记忆塑料”。这种材料不仅在400–1600 nm波段（涵盖可见光至短波红外，SWIR）具有优异的透光性，还能通过温度控制下的机械拉伸，在其内部“编程”出精确且稳定的应力分布。

实验室中塑料制品的双折射。(比例尺：1 厘米）。

这种应力会引发材料的双折射效应（birefringence）——即不同波长的光在材料中以不同方式传播，从而实现光的色散与光谱编码。

“通过调控聚合物内部的应力分布，我们可以高度重复且灵活地‘设计’其光谱响应特性，这在传统光学系统中几乎无法实现。”  ——剑桥大学 Gongyuan Zhang 教授

无需光刻，一步成型，适合大规模生产

与依赖昂贵纳米加工或光刻工艺的传统微型光谱仪不同，这项新技术的最大优势在于制造工艺简单、可扩展性强。

研究团队利用形状记忆环氧树脂的特性，在高温下进行单步拉伸即可完成光学元件的“编程”，无需复杂的微纳加工流程。制成的平面型应力工程薄膜，可直接与商用CMOS图像传感器集成，再通过算法对像素信号进行计算重建，最终还原出完整的光谱信息。

这不仅大幅降低了生产成本，也使得未来将其嵌入手机、可穿戴设备甚至智能家电成为可能。

不只是光谱仪，更是便携式高光谱成像引擎

更进一步，该系统还可实现线扫描式高光谱成像（hyperspectral imaging），通过逐行扫描二维样本，构建出包含空间与光谱信息的“数据立方体”。这意味着它不仅能“看到”物体的颜色，还能“识别”其化学成分。

应用场景极为广泛：

– 食品新鲜度与成分检测  

– 农作物健康与病虫害监测  

– 药品真伪鉴别与无创血糖监测  

– 工业污染物检测与可回收物实时分拣  

– 医疗诊断与便携式健康设备  

“我们证明了，使用可编程塑料可以覆盖比传统微型系统宽得多的光谱范围——直达短波红外。这对农业、矿产勘探和医学诊断至关重要。”  ——Zongyin Yang 教授

机械设计驱动光子功能：一场“软光学”的革命

这项研究不仅是一次技术突破，更提出了一种全新的光学设计范式：

“我们展示了如何用机械设计原理重塑光子功能。通过在透明聚合物中嵌入应力，创造出一类新型的色散光学元件——它们轻量、可扩展，且光谱响应可调。”  

——Tawfique Hasan 教授

与依赖静态、固定结构的传统光学元件不同，这种“应力工程光学”开启了动态、可重构、可定制的光学未来。

结语

从实验室走向日常生活，光谱技术的“平民化”时代正在到来。这项基于智能塑料的创新设计，不仅降低了技术门槛，更为下一代智能感知设备提供了核心组件的全新可能。

未来，你的手机或许不仅能拍照，还能“看穿”食物是否变质、皮肤下血糖是否异常——这一切，正从一块可拉伸的塑料薄膜开始。