可穿戴传感器通过全息图检测有毒气体

浦项科技大学 (POSTECH) 的研究人员 创造了一个微型气体传感器，您可以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检测到挥发性气体。

可穿戴技术有朝一日可以帮助防止与工厂有毒气体泄漏、锅炉一氧化碳泄漏或人孔清洁过程中有毒气体窒息有关的气体事故。

可穿戴式气体传感器的工作原理

300 x 300 µm 传感器由对有毒气体敏感的超表面和液晶 (LC) 单元组成。当检测到气体时，细胞的方向会发生变化，形成定制的警告。

全息图由超表面产生，通过控制光的折射率使可见物体消失。

液晶盒中液晶取向的改变使入射光的圆偏振从右向左反转。

然后，这种圆偏振光与超表面相互作用，从而产生两个不同的全息图——每个光偏振一个。

在“安全状态”中，LC 被配置为产生产生“安全”全息图的偏振光。暴露于有毒气体会影响 LC 定向，从而产生相反的圆极化，从而产生“警报”全息​​信号。

“我们获得了产生所需图像的相位分布，并相应地在超表面上排列纳米结构，”POSTECH 研究员 Trevon Badloe 说。 “然后，当用圆偏振光照射超表面时，就会显示全息图像。”

Badloe 和他的团队将超表面附着在一副安全眼镜的曲面上。

借助超表面，气体传感器可以通过控制透射光的偏振在短短几秒钟内将全息图像警报漂浮在太空中。 Badloe 说，全息图可以显示在样本上方，或者佩戴者决定放置的任何位置。

“我们使用激光照明来制作全息图，但我们计划将该设备与 OLED 或 MicroLED 等小型光源集成，以在未来创建一个完整的片上设备，”研究人员说。

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

在测试中，研究人员使用异丙醇（一种会引起胃痛、头痛和头晕的有毒物质）作为目标有害气体。根据团队的研究，传感器甚至可以检测到约 200ppm 的微量气体。

通过一步纳米复合材料打印方法，快速制造出灵活、可穿戴的气体传感器。将之前在硬质基板上加工过的超表面结构，一步法纳米浇铸在弯曲或柔性基板上。

下一步是什么？

接下来，研究人员将开发一种高性能环境传感器，通过全息警报显示周围气体或生化物质的类型和浓度水平。工程师们还在研究可以编码各种全息图像的光学设计技术。该研究如果成功，可用于减少因生化或气体泄漏引起的事故。

据 POSTECH 教授 Junsuk Rho 教授领导的 Badloe 和他的团队表示，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。

Badloe，Rho 教授小组的成员，也是研究人员最近在 Science Advances 上发表的论文的合著者 ，与技术简介交谈 通过电子邮件讲述他如何设想全息图像的未来。 Badloe 代表他的团队并与该论文的第一作者 Inki Kim 博士进行了沟通。

技术简介 ：“即时视觉全息警报”是什么样的？

特雷文·巴德洛 ：可视全息报警器可显示任意选择的图像，用于安全和警告状态；这可能包括文本、图像或符号。将图像设计和编码到全息超表面的方法是众所周知的，因此在制造过程之前就选择了它们。

技术简介 :这个传感器可以检测哪些气体？

特雷文·巴德洛 ：由于气体传感的功能仅依赖于液晶单元，因此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。我们测试并验证了感应氯仿、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。

技术简介 s ： H 您是否在超表面中设计了独特的全息图？

特雷文·巴德洛 :这个过程相当复杂，但很好理解。

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案（即我们想要显示的图像）。全息图的设计是通过计算完成的，称为计算机生成的全息图 (CGH)。在这里，我们使用“仅相位”CGH。为所需图像生成相位图相当简单且易于理解，最常用的是 Gerchberg-Saxton 算法 .然后，使用旨在表现出所需相位特性的纳米结构将该相位图物理编码到超表面上。

技术简介 ：创建两个单独的全息图是否具有挑战性？

特雷文·巴德洛 ：我们利用了我们可以诱导相等和相反的偏振光（左圆偏振和右圆偏振）这一事实。然后，我们可以结合两个不同的相位图，使我们能够使用它们固有的相位特征对纳米结构进行编码，加上仅与纳米结构的旋转相关的额外补偿（分别称为传播和几何相位） )。

技术简介 :你能带我看一下这个传感器的示例应用吗？

特雷文·巴德洛 ：使用灵活的液晶单元和超表面可以让我们将气体感应视觉警报应用于任何表面，无论它是否光滑平整。例如，我们将超表面连接到一副安全眼镜的曲面上。它们也可以安装在某个地方，例如用户的手套，或者他们可以轻松看到的任何地方以提供视觉警报。

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技术简介 ：您的研究下一步是什么？

特雷文·巴德洛 ：作为后续研究，我们将生产一种设备，该设备不仅可以提供安全和警报信号，还可以向用户提供有关有毒气体水平的信息。例如，在有毒气体达到危险水平之前了解其存在可能会很有用。然后，可以采取正确的措施来阻止不需要的气体流动。

技术简介 ：您对这项技术及其可能性最感兴趣的是什么？

特雷文·巴德洛 ：这项技术证明了超表面在现实生活中的应用可能产生的影响。通过超表面与液晶的简单集成，可以实现许多功能。全息视觉警报在需要瞬时警报以确保用户安全的各个领域都非常有用，例如在实验室甚至军事环境中用于快速检测生物危险气体。

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