检测气体泄漏的可穿戴传感器

图片来源：浦项科技大学 (POSTECH)

工厂有毒气体泄漏、锅炉一氧化碳泄漏或人孔清理过程中有毒气体窒息等燃气事故不断造成人员伤亡。开发能够快速检测有毒气体或生化物质的传感器仍然是公共卫生、环境监测和军事领域的重要课题。最近，POSTECH 的一个研究团队开发了一种廉价、超紧凑的可穿戴全息传感器，可立即通知用户检测到挥发性气体。

由机械与化学工程系 Junsuk Rho 教授和机械工程系 Inki Kim 博士与 Young-Ki Kim 教授和博士领导的联合研究小组。POSTECH 化学工程系的候选人 Won-Sik Kim 将超表面与气体反应液晶光学调制器集成在一起，开发出一种传感器，可在检测到有害气体时提供即时视觉全息警报。这项研究的结果于2021 年 4 月 7 日发表在《科学进展》上。

对于在石化工厂等危险环境中工作的人来说，气体传感器就是生命。然而，传统的气体传感设备由于使用复杂的机器和电子设备制造成本高而没有得到广泛应用。此外，商用气体传感器也存在使用困难、便携性和反应速度差等局限性。

为了解决这些问题，研究小组利用了超表面，众所周知，超表面是一种众所周知的未来光学装置，通过控制光的折射率使可见物体消失，从而具有隐形斗篷效应。超表面特别用于通过自由控制光线来传输双向全息图或 3D 视频图像。

利用超表面，研究小组开发了一种气体传感器，它可以利用透射光的偏振控制，在几秒钟内将全息图像警报漂浮在太空中，该透射光因液晶层中液晶分子的取向变化而发生转变暴露在气体中时在传感器设备内部。此外，与其他常规商用气体传感器不同，由研究团队开发的这种气体传感器不需要外部机械或电子设备的支持。研究人员使用异丙醇作为目标有害气体，这种有毒物质会导致胃痛、头痛、头晕，甚至白血病。

新开发的传感器被证实可以检测到约 200ppm 的微量气体。在使用白板标记的实际实验中，我们日常生活中的挥发性气体源，当标记被带到传感器??的那一刻，视觉全息警报立即弹出。

此外，研究团队开发了一种单步纳米复合打印方法来生产这种灵活且可穿戴的气体传感器。超表面结构之前是在硬基板上加工的，旨在通过单步纳米铸造工艺在弯曲或柔性基板上快速生产。

当使用这种方法制造的柔性传感器像安全眼镜上的贴纸一样贴上时，它可以检测气体并显示全息警报。预计它可以与苹果、三星、谷歌和 Facebook 正在开发的玻璃型 AR 显示系统集成。

更进一步，研究团队正在开发一种高性能环境传感器，可以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，并且正在研究可以编码各种全息图像的光学设计技术。如果这些研究成功，它们可用于减少由生化或气体泄漏引起的事故。

“与传统的听觉或简单的光警报相比，这种新开发的超紧凑型可穿戴气体传感器提供了更直观的全息视觉警报，”Junsuk Rho 教授评论道。“预计它在声学和视觉噪音强烈的更极端的工作环境中尤其有效。”

若本文收录的图片文字侵犯了您的权益，请邮件联系我们，我们将在24小时内予以删除。