Крошечный носимый газосенсор предупреждает пользователей о токсичных газах через голографический дисплей

Исследователи из Пханского университета науки и технологий (POSTECH) создали крошечный газосенсор, который можно разместить на очках или перчатках как наклейку. С голографическим дисплеем сенсор немедленно уведомляет пользователя об обнаружении летучих газов.

Носимая технология может когда-нибудь помочь предотвратить газовые аварии, связанные с утечкой токсичных газов на заводах, утечкой угарного газа от котлов или удушьем от токсичных газов при очистке люков.

Как работает носимый газосенсор

Сенсор 300 x 300 мкм состоит из метаповерхности и жидкокристаллической (LC) ячейки, которая чувствительна к токсичному газу. Когда газ обнаруживается, ориентация ячеек меняется для формирования кастомизированного предупреждения.

Голограммы производятся метаповерхностью, которая делает видимые объекты невидимыми, контролируя преломляющий индекс света.

Изменение ориентации жидкого кристалла в ячейке реверсирует круговую поляризацию входящего света с правой на левую.

Эта кругово поляризованный свет затем взаимодействует с метаповерхностью, которая спроектирована для производства двух отдельных голограмм — одной для каждой поляризации света.

В «безопасном состоянии» LC сконфигурированы для производства поляризации света, генерирующей «безопасную» голограмму. Воздействие токсичного газа влияет на LC для ориентации способом, производящим противоположную круговую поляризацию, генерируя сигнал «аварийной» голограммы.

«Мы получаем фазовую распределение, которое производит желаемое изображение и расставляем наноструктуры на метаповерхности соответственно», — сказал исследователь POSTECH Тревон Бадлоу. «Тогда, когда метаповерхность освещается кругово поляризованным светом, голографические изображения отображаются».

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

С метаповерхностью газосенсор может парять голографическое изображение аварии в пространстве всего за несколько секунд, контролируя поляризацию переданного света. Голограммы могут быть заставлены появляться над образцом или где угодно, где носитель решает их поставить, говорит Бадлоу.

«Мы использовали лазерное освещение для производства голограмм, однако мы планируем интегрировать устройство с небольшим источником света, таким как OLED или MicroLED, чтобы создать полное on-chip устройство в будущем», — сказал исследователь.

В отличие от других конвенциональных коммерческих газосенсоров, устройство POSTECH не требует поддержки от внешних механических или электронных устройств.

В тестах исследователи использовали изопропиловый спирт, токсичное вещество, вызывающее боли в животе, головную боль и головокружение, как целевой опасный газ. Согласно исследованию команды, сенсор обнаружил даже минимальное количество газа около 200 ppm.

Гибкий и носимый газосенсор изготавливается быстро, через одношаговый нанокомпозитный метод печати. Структура метаповерхности, ранее обработанная на жестком субстрате, наноштампуется на изогнутый или гибкий субстрат в один шаг.

Что дальше?

Далее исследователи разработают высокопроизводительный экологический сенсор, который отображает тип и уровень концентрации газов или биохимикатов в окружении с голографической аварией. Инженеры также изучают оптические дизайнерские техники, которые могут кодировать различные голографические изображения. Исследования, если успешны, могут использоваться для снижения аварий, вызванных биохимическими или газовыми утечками.

Создатели сенсора, согласно Бадлоу и его команде, возглавляемой профессором POSTECH профессором Чунсук Рхо, надеются интегрировать технологию с AR-дисплейными системами типа очков, разрабатываемыми Apple, Samsung, Google и Facebook.

Бадлоу, член группы профессора Рхо и соавтор недавней статьи исследователей в Science Advances, говорил с Tech Briefs по электронной почте о том, как он представляет будущее голографических изображений. Бадлоу общался от имени своей команды и в координации с д-ром Инки Ким, ведущим автором статьи.

Tech Briefs: Как выглядит «немедленный визуальный голографический алерт»?

Тревон Бадлоу: Визуальный голографический алерт может отображать любые выбранные изображения для безопасных и предупреждающих состояний; это может включать текст, изображения или символы. Метод проектирования и кодирования изображений в голографическую метаповерхность хорошо известен, поэтому они выбираются перед процессом фабрикации.

Tech Briefs: Какие газы могут быть обнаружены этим сенсором?

Тревон Бадлоу: Поскольку функциональность газосенсирования опирается только на жидкокристаллическую ячейку, селективность ответа на определенные токсичные газы также может быть довольно легко интегрирована в устройство. Мы тестировали и верифицировали времена ответа при чувствании хлороформа, ацетона, толуола, IPA, п-ксилена, метанола и DMF. Время ответа сигнала «безопасный» к «аварийный» зависит от дозы и типа газа.

Tech Briefs: Как вы проектируете отдельную голограмму в метаповерхности?

Тревон Бадлоу: Процесс довольно задействован, но хорошо понятен.

Сначала нам нужно цифрово сгенерировать фазовую карту, которая производит требуемый интерференционный паттерн (т.е. изображение, которое мы хотим отобразить) в желаемой локации. Дизайн голограммы делается вычислительно, известный как компьютерно-генерированная голография (CGH). Здесь мы использовали «только фаза» CGH. Генерация фазовой карты для требуемого изображения довольно прямая и хорошо понятная, чаще всего использующая алгоритм Герхберг-Сакстона. Затем эта фазовая карта физически кодируется на метаповерхности с использованием наноструктур, спроектированных для демонстрации требуемых фазовых характеристик.

Tech Briefs: Является ли это сложным процессом создать две отдельные голограммы?

Тревон Бадлоу: Мы используем тот факт, что мы можем индуцировать равные и противоположные поляризации света (левую и правую кругово поляризованную). Затем мы можем объединить две отдельные фазовые карты способом, позволяющим кодировать наноструктуры, используя их внутренние фазовые характеристики, плюс дополнительная компенсация, которая связана только с вращением наноструктур (известная как фаза распространения и геометрическая фаза соответственно).

Tech Briefs: Можете ли вы провести меня через пример применения этого сенсора?

Тревон Бадлоу: Использование гибкой жидкокристаллической ячейки и метаповерхности может позволить нам применять визуальные голографические алерты газосенсирования к любой поверхности, независимо от того, гладкой и плоской ли она. Как пример, мы прикрепили метаповерхность к изогнутой поверхности пары защитных очков. Они также могли бы быть прикреплены где-то, такое как перчатки пользователя, или где угодно, где они могут легко видеть для предоставления визуального алерта.

Больше сенсоров на Tech Briefs

Узнайте о 3D-дисплее, который не требует гарнитуру.

В 2019 году исследователь BYU, вдохновленный Star Wars, парил 3D-изображения в тонком воздухе.

Посетите наш хаб знаний Sensors & Test.

Tech Briefs: Что дальше с вашим исследованием?

Тревон Бадлоу: Как последующее исследование мы собираемся произвести устройство, которое не только предоставляет безопасные и аварийные сигналы, но также может дать пользователю информацию о уровне токсичного газа, присутствующего. Например, может быть полезно знать существование токсичного газа до того, как он достигнет опасных уровней. Тогда правильные действия могут быть предприняты для остановки потока нежелательного газа.

Tech Briefs: Что больше всего вдохновляет вас в этой технологии и ее возможностях?

Тревон Бадлоу: Эта технология доказывает влияние, которое метаповерхности могут иметь в реальных применениях. С простой интеграцией метаповерхностей с жидкими кристаллами множество функциональностей может быть реализовано. Голографические визуальные алерты могут оказаться экстремально полезными в различных областях, где мгновенные алерты требуются для безопасности пользователей, таких как в лабораториях или даже военных средах для быстрого обнаружения биологических опасностей.

Что вы думаете? Видите ли вы другие применения для голографических предупреждений? Делитесь вопросами и комментариями ниже.