研究人员浦项科技大学(POSTECH)我们发明了一种微小的气体传感器,你可以把它像贴纸一样贴在眼镜或手套上。通过全息图显示,传感器立即通知用户挥发性气体检测。

这种可穿戴技术有朝一日可能有助于防止与工厂有毒气体泄漏、锅炉一氧化碳泄漏或人孔清洗过程中有毒气体窒息有关的气体事故。

可穿戴气体传感器是如何工作的

300 × 300µm的传感器由超表面和液晶(LC)电池组成,对有毒气体敏感。当检测到气体时,电池的方向会改变,形成一个定制的警告。

来自POSTECH气体传感器的警告和安全状态
图左为表示安全环境的全息图,图右为表示危险的全息图。(图片来源:Badloe)

全息图是由超表面产生的,通过控制光的折射率使可见物体消失。

电池中液晶方向的改变使入射光的圆偏振从右向左反转。

这种圆偏振光然后与超表面相互作用,超表面被设计成产生两个不同的全息图-每个光偏振一个。

在“安全状态”下,LCs被配置为产生产生“安全”全息图的光的偏振。暴露在有毒气体中会影响LCs的定向,从而产生相反的圆偏振,产生“报警”全息图信号。

POSTECH研究人员Trevon Badloe说:“我们获得了产生所需图像的相位分布,并相应地在超表面排列纳米结构。”“然后,当超表面被圆偏振光照亮时,全息图像就会显示出来。”

POSTECH传感器和全息显示嵌入安全眼镜。
嵌入安全眼镜中的传感器和全息图显示屏。

Badloe和他的团队将超表面附着在一副安全眼镜的曲面上。

有了超表面,气体传感器可以通过控制透射光的偏振在几秒钟内将全息图像报警漂浮在太空中。巴德洛说,这种全息图可以显示在样品上方,或者佩戴者决定将其放置的任何地方。

研究人员说:“我们使用激光照明来产生全息图,但是我们计划在未来将该设备与一个小光源如oled或MicroLEDs集成,以创造一个完整的芯片设备。”

与其他传统商业气体传感器不同,POSTECH设备不需要外部机械或电子设备的支持。

在测试中,研究人员使用了能引起胃痛、头痛和眩晕的有毒物质异丙醇作为目标气体。根据该小组的研究,传感器甚至能检测到大约百万分之200ppm的微量气体。

这种灵活且可穿戴的气体传感器通过一步纳米复合打印方法快速制成。该超表面结构以前加工在硬质基材上,现在可以一步纳米浇铸在弯曲或柔性基材上。

接下来是什么?

接下来,研究人员将开发一种高性能的环境传感器,用全息报警显示周围气体或生物化学物质的类型和浓度水平。工程师们还在研究可以对各种全息图像进行编码的光学设计技术。如果这些研究成功,就可以用来减少由生化或气体泄漏引起的事故。

据Badloe和他的团队称,传感器制造商希望将该技术与苹果、三星、谷歌和Facebook正在开发的玻璃型AR显示系统集成。该团队由POSTECH教授Junsuk Rho教授领导。

他是Rho教授团队的成员,也是研究人员最近发表的论文的合著者科学的进步,与金宝搏官网通过电子邮件了解如何设想全息图像的未来。Badloe代表他的团队沟通,并与Inki Kim博士的铅博士协调。

金宝搏官网:“即时视觉全息报警”是什么样的?

Trevon Badloe:视觉全息报警,可显示任意选择的图像,安全警示状态;这可能包括文本、图像或符号。全息超表面图像的设计和编码方法是众所周知的,因此在制作过程之前就选择了这些图像。

来自POSTECH的全息传感器图,包含超表面和LC用于气体检测
如图所示,该传感器由超表面和液晶(LC)电池组成。LC电池对有毒气体很敏感,当它们接触到气体时,电池的方向会改变。

金宝搏官网这个传感器可以检测到什么气体?

Trevon Badloe由于气体传感的功能仅依赖于液晶盒,对某些有毒气体的选择性响应也可以相当容易地集成到设备中。我们测试并验证了检测氯仿、丙酮、甲苯、IPA、对二甲苯、甲醇和DMF时的响应时间。“安全”到“报警”信号的响应时间取决于气体的剂量和类型。

技术简单年代:H你如何在超表面设计一个独特的全息图?

Trevon Badloe这个过程相当复杂,但很容易理解。

首先,我们需要以数字方式生成相位图,在所需位置产生所需的干涉图样(即我们想要显示的图像)。全息图的设计是通过计算完成的,称为计算机生成全息图(CGH)。这里我们使用“仅相位”CGH。所需图像的阶段图的生成是相当直接和易于理解的,最常用的是使用Gerchberg-Saxton算法。然后,利用纳米结构将此相位图物理编码到超表面,该超表面被设计为显示所需的相位特性。

金宝搏官网创建两个独立的全息图是一个具有挑战性的过程吗?

Trevon Badloe:我们利用了我们可以诱导光的相等和相反的光(左和右圆偏振)的事实。然后,我们可以以允许我们使用其固有相位特性对纳米结构进行编码的方式组合两个不同的相位图,以及仅与纳米结构的旋转(称为传播和几何相位)相关的额外补偿)。

金宝搏官网你能给我举个例子说明一下这个传感器的应用吗?

Trevon Badloe:使用柔性液晶电池和超表面可以让我们将气体传感视觉报警应用到任何表面,无论它是光滑和平坦的。作为一个例子,我们把超表面附着在一副安全眼镜的曲面上。它们也可以安装在用户的手套之类的地方,或者任何他们能轻易看到的地方,以提供视觉警报。

金宝搏官网你下一步的研究是什么?

Trevon Badloe:作为后续研究,我们将生产一种不仅提供安全和报警信号的设备,还可以提供有关存在的有毒气体水平的用户信息。例如,在危险水平之前了解有毒气体的存在可能是有用的。然后,可以进行正确的动作以阻止不需要的气体流动。

金宝搏官网关于这项技术及其可能性,您最感兴趣的是什么?

Trevon Badloe该技术证明了元表面在现实应用中可能产生的影响。通过液晶与超表面的简单集成,可以实现许多功能。全息视觉警报在用户的安全需要瞬时警报的各个领域中被证明是非常有用的,例如在实验室甚至军事环境中对有害生物气体的快速检测。

你觉得呢?你还看到全息警告的其他用途吗?请在下方分享你的问题和评论。