En sensor som härmar ormarnas värmeavkänning

Forskare har tagit fram en infraröd sensor som kopierar sättet ormar registrerar värme från sitt byte. Enheten levererar 4K-upplösning, behöver inget avancerat kylsystem och går att integrera i massproducerade kameror och smartphones.

Att kunna se i det infraröda spektrumet har hittills krävt kostsamma apparater med omfattande kylsystem. Men forskare från kinesiska vetenskapliga institut har nu utvecklat en sensor som totalt förändrar spelreglerna — med direkt inspiration från naturen.

Hur ormar ser värme och varför det inspirerade forskarna

Vissa ormarter jagar på natten med hjälp av en speciell förmåga — de fångar upp värmestrålning från bytet. Mellan ögat och näsborren har de speciella gropar med ett tunt membran som reagerar på minimala temperaturskillnader.

När infraröd strålning träffar detta membran värms delar av det mycket lätt upp. Den termiska reaktionen omvandlas till en nervimpuls, och i ormens hjärna uppstår något som liknar en ”värmebild”, som kombineras med den vanliga synen. Djuret ser alltså både former och ett ”temperaturlandskap” samtidigt.

Ett team från Beijing Institute of Technology och Changchun Institute of Optics överförde denna mekanism till elektronik. Istället för ett biologiskt membran använde de ett lager av halvledarmaterial som fångar infraröd strålning och omvandlar den till en elektrisk och sedan optisk signal. Hela arkitekturen är utformad för att efterlikna sinnesorganets funktion så exakt som möjligt — men i material som är kompatibla med dagens CMOS-matriser.

Den nya sensorn fungerar som en digital version av ormens värmegrop — den fångar passivt värme och skapar en skarp bild av omgivningens temperaturer. Forskarna publicerade sina resultat i en refereegranskad tidskrift och betonade att tekniken är redo för kommersiell användning.

Ultratunn konstruktion: så förvandlas värme till grönt ljus

Nyckeln till den nya tekniken är lager med en tjocklek på bara några få nanometer. Grundelementet utgörs av så kallade kvanttrådar av kvicksilvertellurid. Det är mikroskopiska partiklar vars storlek kan regleras exakt — och därmed också räckvidden för de registrerade våglängderna. I detta fall handlar det om strålning runt 4,5 mikrometer, vilket är det typiska område där en varm människokropp eller en bilmotor ”lyser”.

Att fånga den infraröda strålningen är dock bara halva utmaningen. Ett kritiskt problem med traditionella värmekameror är de så kallade mörkerströmmarna — brus från sensorns egen uppvärmning. Tidigare löste tillverkare detta genom att kyla ner hela system till mycket låga temperaturer, vilket resulterade i stora, dyra och ömtåliga enheter. Forskarna valde en annan väg.

Mellan kvanttrådarna och resten av kretsen satte de in en barriär av zinkoxid och den speciella polymeren P3HT. Detta filter blockerar signaler orsakade av slumpmässig uppvärmning av elektroniken, men släpper igenom de signaler som faktiskt utlöses av infraröd strålning från omgivningen.

Nästa trick är ännu mer fascinerande. Istället för att direkt skicka den elektriska signalen till behandlingselektroniken placerade forskarna ett lysande lager ovanpå sensorn. Det innehåller fosforescerande föreningar med iridium, som omvandlar strömmen till stabilt grönt ljus. Just denna ljusbild registreras av en standard CMOS-matris som i en vanlig kamera.

Vilka tekniska specifikationer uppnår den nya infraröda sensorn

Hela systemet är integrerat med en klassisk CMOS-sensor i 4K-upplösning, alltså 3840 × 2160 pixlar. Inom termisk avbildning representerar det ett kvalitativt språng. Hög upplösning har hittills varit förbehållet dyra system med kylda detektorer.

Under testerna registrerade den nya sensorn tydliga bilder även vid mycket svaga infraröda signaler. Forskarna mätte både det närinfraröda området (SWIR) och det mellersta (MWIR). Bildens ljusstyrka nådde upp till cirka 6 388 cd/m² för SWIR och 1 311 cd/m² för MWIR, vilket innebär att kameran hanterar krävande scener där traditionella sensorer bara ser svart.

Det dynamiska området är också viktigt — skillnaden mellan den mörkaste och ljusaste punkten som kan fångas utan förlust av detaljer. För SWIR var det 38 dB och för MWIR 33 dB. Det ger möjlighet att samtidigt fånga mycket varma element som en motor och en markant kallare bakgrund eller mänskliga silhuetter utan överexponering.

Skaparna lyckades uppnå en foton-till-foton-konverteringseffektivitet på över 6 procent i det närinfraröda området vid rumstemperatur. I detta segment är det ett mycket bra resultat med tanke på frånvaron av kylning och konstruktionens miniaturformat.

Den nya sensorn kan detektera signaler så svaga som 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter — en intensitet motsvarande ljusstyrkan hos stjärnor sedda från jorden. En så hög känslighet öppnar vägen för användning i nästan totalt mörker och överallt där det mänskliga ögat slutar uppfatta någonting.

Var den nya tekniken kan användas i praktiken

Att utvidga sensorns synliga område från typiska 0,4–0,7 mikrometer till cirka 4,5 mikrometer förändrar kamerors möjligheter radikalt. De börjar fungera effektivt i situationer som är problematiska för vanlig optik: i dimma, i rök, i totalt mörker eller vid kraftiga reflexer från metall- och glasytor.

Redan nu tecknar sig flera områden där sådana lösningar kan hitta väg till vardagsanvändning:

Industri och infrastruktur — kontroll av överhettade komponenter, registrering av läckage och termiska skador utan att ta isär utrustning
Jordbruk — bedömning av växters hälsotillstånd, vattenstress och sjukdomar baserat på fina temperaturskillnader i blad
Livsmedelssäkerhet — övervakning av temperaturer och fuktighet i förpackningar, lager och kylkedjor
Transport och självkörande bilar — registrering av fotgängare, djur och hinder vid nollsikt på vägen
Medicin — övervakning av inflammationstillstånd, cirkulationsrubbningar eller läkningsprocesser i realtid via miniatyrkameror
Byggnadsteknik — lokalisering av köldbryggor, luftläckage och fukt i byggnaders väggar
Brandmän och räddningspersonal — lokalisering av personer i rökfyllda rum eller under rasmassor

Efterhand som produktionskostnaderna sjunker kan samma teknik tränga in i masskonsumentutrustning: smartphones, bärbara sportkameror, drönare och till och med intelligenta hushållsapparater.

Smartphone som fickvärmekamera

Sensorns skapare understryker att deras konstruktion är kompatibel med befintliga produktionslinjer för CMOS-matriser. Det finns varken behov av att bygga nya fabriker eller skapa separata moduler. I praktiken innebär det en reell möjlighet att integrera infraröda lager direkt i framtida generationer av smartphonekameror.

De möjliga användningsscenarierna i telefoner är mycket breda. Du kan kolla om ditt barn har feber utan att väcka det med en termometer. Kameran kan identifiera en överhettad laddare eller ett defekt vägguttag innan det orsakar brand. Vid bilreparationer kan du avslöja ett problematiskt ställe i kylsystemet eller en motor som bränner olja.

Hemma kan du hitta dolda värmeläckage runt fönster eller dörrar och därmed spara på uppvärmningen. När du luftar hunden på natten kan du se lösögående djur eller människor gömda bakom buskar. På fjällsemester kan du via ett temperaturlandskap av ytan avgöra var isen på en sjö är farligt tunn.

Det som dyra industriella kameror gör idag kan en vanlig telefon kanske göra imorgon — och det i 4K-kvalitet, utan stativ, tunga höljen och kylsystem.

Frågor om integritet och säkerhet vid masspridning

En ny typ av syn i fickan är inte bara bekvämlighet. Det väcker också allvarliga frågor. En kamera som kan se värme genom vissa material kan kränka privatlivet om den hamnar i händerna på personer med onda avsikter. Lagstiftningen kommer att behöva fastställa hur sådan data får användas, i vilken upplösning och i vilka situationer.

Hälsofrågan uppstår också. Själva sensorn arbetar passivt — den sänder inte ut kraftig strålning utan tar bara emot den. Ett möjligt problem är snarare mängden extra elektronik inpackad i telefonens täta hölje och den därav följande uppvärmningen. Här har tillverkarna ansvar för att förnuftigt hantera värmeavledning och energiförbrukning.

För användarna kan det också vara avgörande hur artificiell intelligens-system kopplar samman data från den klassiska kameran med den termiska sensorn. En telefon kommer potentiellt automatiskt att kunna känna igen personer i rök eller bakom en svagt upplyst skyltfönster, markera farligt varma föremål eller hjälpa räddningspersonal att hitta människor i en byggnad. Forskarna påpekar att tekniken i sig är neutral — det avgörande är hur samhället reglerar och använder den.