研究人员来自浦项科技大学(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。

可穿戴技术可以有一天可以帮助防止燃气事故与工厂的有毒气体泄漏有关,锅炉的一氧化碳泄漏,或在人孔清洁期间窒息。

可穿戴气体传感器如何工作

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。

电池中液晶的取向变化反转从右到左的进入光的圆形偏振。

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”中,LCS被配置为产生产生“安全”全息图的光的极化。暴露于有毒气体影响LCS以产生相反的圆极化的方式定向,产生“警报”全息​​图信号。

“我们获得了产生所需图像的相位分布,并相应地将纳米结构排列在元件上,”Postech研究人员Trevon Badloe表示。“然后,当用圆极化光照射元表面时,显示全息图像。”

POSTECH传感器和全息显示嵌入安全眼镜。
传感器和全息显示嵌入安全眼镜。

Badloe和他的团队将Metasurface附加到一对安全眼镜的弯曲表面。

通过元曲面,通过控制透射光的偏振,气体传感器可以在几秒钟内浮动全息图像警报。Badloe说,可以使全息图出现在样品上方,或者在佩戴者决定将其放置之前。

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。”

与其他传统的商用气体传感器不同,Postech装置不需要外部机械或电子设备的支持。

在测试中,研究人员使用异丙醇,一种导致胃痛,头痛和头晕的有毒物质,作为目标危险气体。根据团队的研究,传感器甚至检测到大约200ppm的微小气体。

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。

下一步是什么?

接下来,研究人员将开发出高性能的环境传感器,在周围环境中显示出气体的类型和浓度水平,通过全息报警。工程师还在研究可以编码各种全息图像的光学设计技术。如果成功的话,研究可用于减少生化或天然气泄漏引起的事故。

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推进说,谈到yabovip16.com通过电子邮件谈论他对全息图像未来的设想。Badloe代表他的团队与Inki Kim博士进行了沟通,Inki Kim博士是论文的第一作者。

yabovip16.com:“即时视觉全息报警”是什么样的?

Trevon Badloe:视觉全息警报可以为安全和警告状态显示任何所选图像;这可能包括文本,图像或符号。将图像设计和编码到全息性元曲面中的方法是众所周知的,因此它们在制造过程之前选择。

来自POSTECH的全息传感器图,包含超表面和LC用于气体检测
如该图所示,传感器由元表面和液晶(LC)单元组成。LC电池对有毒气体敏感,并且当它们与气体接触时细胞的取向变化。

yabovip16.com:可以使用此传感器检测到哪种气体?

Trevon Badloe:由于气体感测的功能仅依赖于液晶单元,因此对某些有毒气体的响应的选择性也可以相当容易地集成到装置中。我们测试并验证了感测氯仿,丙酮,甲苯,IPA,对二甲苯,甲醇和DMF时的响应时间。“安全”到“警报”信号的响应时间取决于气体的剂量和类型。

技术简单S.H你如何在超表面设计一个独特的全息图?

Trevon Badloe:这个过程相当涉及,但很好地理解。

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。

yabovip16.com创建两个独立的全息图是一个具有挑战性的过程吗?

Trevon Badloe我们利用的事实是,我们可以诱导光的等量和相反的偏振(左圆偏振和右圆偏振)。然后,我们可以把两个截然不同的阶段地图的方式让我们对纳米结构编码使用他们固有的阶段特征,加上一个额外的补偿,只是与纳米结构的旋转(分别称为传播和几何相位)。

yabovip16.com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。

yabovip16.com:你的研究是什么?

Trevon Badloe:作为后续研究,我们将生产一种设备,不仅可以提供安全和报警信号,而且可以向用户提供有毒气体的水平信息。例如,在有毒气体达到危险水平之前知道它的存在可能是有用的。然后,可以采取正确的行动来阻止多余气体的流动。

yabovip16.com:对此技术及其可能性最令人兴奋的是什么?

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。