Носимый датчик обнаруживает токсичные газы с помощью голограммы

Исследователи из Пхоханского университета науки и технологий (POSTECH) создали крошечный газовый датчик, который можно разместить на очках или перчатках, как наклейку. Благодаря голографическому дисплею датчик немедленно уведомляет пользователя об обнаружении летучих газов.

Когда-нибудь носимая технология может помочь предотвратить газовые аварии, связанные с утечкой токсичного газа на заводах, утечкой угарного газа из котлов или удушьем токсичным газом во время чистки люков.

Как работает носимый датчик газа

Датчик размером 300 x 300 мкм состоит из метаповерхности и жидкокристаллической (ЖК) ячейки, чувствительной к ядовитому газу. При обнаружении газа ориентация ячеек меняется, формируя персонализированное предупреждение.

Голограммы создаются метаповерхностью, которая заставляет видимые объекты исчезать, контролируя показатель преломления света.

Изменение ориентации жидкого кристалла в ячейке меняет круговую поляризацию входящего света справа налево.

Затем этот свет с круговой поляризацией взаимодействует с метаповерхностью, которая предназначена для создания двух разных голограмм — по одной для каждой поляризации света.

В «безопасном состоянии» LC настроены на создание поляризации света, которая создает «безопасную» голограмму. Воздействие токсичного газа влияет на ориентацию ЖК таким образом, чтобы создать противоположную круговую поляризацию, генерируя сигнал голограммы «тревога».

«Мы получаем фазовое распределение, которое создает желаемое изображение, и соответствующим образом размещаем наноструктуры на метаповерхности», — сказал исследователь POSTECH Тревон Бадлоу. «Затем, когда метаповерхность освещается светом с круговой поляризацией, отображаются голографические изображения».

Бадлоу и его команда прикрепили метаповерхность к изогнутой поверхности пары защитных очков.

С помощью метаповерхности газовый датчик может всего за несколько секунд вывести в космос голографическое изображение тревоги, контролируя поляризацию проходящего света. По словам Бадлоу, голограммы можно сделать так, чтобы они появлялись над образцом или там, где его носит владелец.

«Мы использовали лазерное освещение для создания голограмм, однако мы планируем интегрировать устройство с небольшим источником света, таким как OLED или MicroLED, чтобы в будущем создать полноценное устройство на кристалле», — сказал исследователь.

В отличие от других обычных коммерческих датчиков газа, устройство POSTECH не требует поддержки внешних механических или электронных устройств.

В тестах исследователи использовали изопропиловый спирт, токсичное вещество, вызывающее боль в животе, головную боль и головокружение, в качестве целевого опасного газа. Согласно исследованию группы, датчик обнаружил даже незначительное количество газа около 200 частей на миллион.

Гибкий переносной датчик газа изготавливается быстро с помощью одноэтапного метода нанокомпозитной печати. Метаповерхностная структура, предварительно обработанная на твердой подложке, за один этап наносится на изогнутую или гибкую подложку.

Что дальше?

Затем исследователи разработают высокопроизводительный датчик окружающей среды, который отображает тип и уровень концентрации газов или биохимических веществ в окружающей среде с помощью голографической сигнализации. Инженеры также изучают методы оптического проектирования, которые могут кодировать различные голографические изображения. Исследования, в случае успеха, могут быть использованы для снижения числа несчастных случаев, вызванных утечкой биохимических веществ или газа.

По словам Бадлоу и его команды, производители сенсоров во главе с профессором POSTECH профессором Джунсуком Ро надеются интегрировать эту технологию в стеклянные дисплеи дополненной реальности, разрабатываемые в Apple, Samsung, Google и Facebook.

Бадлоу, член группы профессора Ро и соавтор недавней статьи исследователей в журнале Science Advances , побеседовал с Техническими бюллетенями по электронной почте о том, как он представляет будущее голографических изображений. Бадлоу сообщил от имени своей команды и в координации с доктором Инки Ким, ведущим автором статьи.

Технические обзоры :Как выглядит «немедленная визуальная голографическая тревога»?

Тревон Бадло :визуальная голографическая сигнализация может отображать любые выбранные изображения для безопасного и предупреждающего состояний; это может включать текст, изображения или символы. Метод проектирования и кодирования изображений в голографическую метаповерхность хорошо известен, поэтому они выбираются до процесса изготовления.

Технические обзоры :Какие газы можно обнаружить с помощью этого датчика?

Тревон Бадло :Поскольку функциональность датчика газа зависит только от жидкокристаллической ячейки, селективность реакции на определенные токсичные газы также может быть легко интегрирована в устройство. Мы проверили и проверили время отклика при обнаружении хлороформа, ацетона, толуола, изопропилового спирта, п-ксилола, метанола и ДМФА. Время реакции «безопасного» на «тревожный» сигнал зависит от дозировки и типа газа.

Технический обзор ы : Н Как создать четкую голограмму на метаповерхности?

Тревон Бадло :Процесс довольно сложный, но хорошо понятный.

Во-первых, нам нужно сгенерировать в цифровом виде фазовую карту, которая создает требуемую интерференционную картину (то есть изображение, которое мы хотим отобразить) в нужном месте. Дизайн голограммы выполняется с помощью вычислений, известных как компьютерная голография (CGH). Здесь мы использовали «только фазу» CGH. Генерация фазовой карты для требуемого изображения довольно проста и понятна, чаще всего с использованием алгоритма Герхберга-Сакстона . Затем эта фазовая карта физически кодируется на метаповерхность с помощью наноструктур, разработанных для демонстрации требуемых фазовых характеристик.

Технические обзоры :Сложно ли создать две отдельные голограммы?

Тревон Бадло :мы пользуемся тем, что можем индуцировать равные и противоположные поляризации света (левая и правая круговая поляризация). Затем мы можем объединить две различные фазовые карты таким образом, что это позволит нам кодировать наноструктуры, используя присущие им фазовые характеристики, а также дополнительную компенсацию, связанную только с вращением наноструктур (известную как фаза распространения и геометрическая фаза соответственно). ).

Технические обзоры :Не могли бы вы показать мне пример применения этого датчика?

Тревон Бадло :Использование гибкой жидкокристаллической ячейки и метаповерхности позволяет нам применять визуальные датчики обнаружения газа к любой поверхности, независимо от того, является ли она гладкой и плоской. В качестве примера мы прикрепили метаповерхность к изогнутой поверхности пары защитных очков. Они также могут быть прикреплены где-нибудь, например, на перчатках пользователя, или в любом месте, которое они могут легко видеть, чтобы обеспечить визуальную сигнализацию.

Больше датчиков в технической документации

Узнайте о 3D-дисплее, для которого не требуется гарнитура.

В 2019 году исследователь УБЯ, вдохновленный «Звездными войнами», пустил в ход 3D-изображения в воздухе.

Посетите наш центр знаний о датчиках и тестах.

Технические обзоры :Что дальше с вашим исследованием?

Тревон Бадло :В качестве дальнейших исследований мы собираемся создать устройство, которое не только подает сигналы безопасности и тревоги, но также может предоставлять пользователю информацию об уровне присутствующего токсичного газа. Например, может быть полезно знать о существовании токсичного газа до того, как он достигнет опасного уровня. Затем можно предпринять правильные действия, чтобы остановить поток нежелательного газа.

Технические обзоры :Что вас больше всего волнует в этой технологии и ее возможностях?

Тревон Бадло :Эта технология доказывает влияние, которое метаповерхности могут иметь в реальных приложениях. Благодаря простой интеграции метаповерхностей с жидкими кристаллами можно реализовать множество функций. Голографические визуальные сигналы тревоги могут оказаться чрезвычайно полезными в различных областях, где мгновенные сигналы необходимы для безопасности пользователей, например, в лабораториях или даже в военных условиях для быстрого обнаружения биологически опасных газов.

Что вы думаете? Видите ли вы другие способы использования голографических предупреждений? Поделитесь своими вопросами и комментариями ниже.