Forskare har konstruerat en remarkabel infraröd sensor som perfekt imiterar ormens extraordinära förmåga att registrera bytets kroppsvärme i komplett mörker. Detta nya teknologiska mästerverk producerar kristallklara bilder i 4K-upplösning och kräver till skillnad från konventionell utrustning absolut inget avancerat kylsystem. Inom överskådlig tid kan denna innovation mycket väl bli en standardfunktion i våra vanliga mobiltelefoner.

Genom ett intimt samarbete har specialister från Beijing Institute of Technology och Changchun Institute of Optics tagit fram en banbrytande prototyp. De har framgångsrikt kombinerat kvantprickar av kvicksilvertellurid med speciella fosforescerande iridiumföreningar. Eftersom den smarta konstruktionen är hundra procent kompatibel med befintliga produktionslinjer för CMOS-chip, är vägen redan röjd för en kostnadseffektiv massproduktion.

Vissa ormarter är utrustade med ett formidabelt nattsyn i form av små gropar mellan ögon och näsborrar, vilka blixtsnabbt registrerar även de minsta tänkbara temperaturskillnaderna. När värmestrålningen träffar ormens tunna membran uppstår en lätt uppvärmning, som hjärnan omedelbart omvandlar till en detaljerad termisk bild. Forskargruppen har nu lyckats kopiera exakt denna geniala biologiska mekanism till ett mikrochip.

Så förvandlas naturvetenskap till avancerad elektronik

Istället för levande organisk vävnad har teamet använt ultratunn halvledarmaterial för att fånga värmen. Denna nyskapande struktur översätter först den osynliga infraröda påverkan till elektriska impulser, varefter de konverteras direkt till ljus. Denna digitala version av ormens biologiska värmegrop registrerar omgivningens temperaturer helt passivt, vilket skapar en otroligt precis överblicksbild.

Den riktigt stora vinsten ligger i att uppfinningen fungerar problemfritt vid helt vanlig rumstemperatur. Tjockleken på de aktiva skikten mäts i nanometer. Kvantprickarna, som utgör kärnan i systemet, gör det möjligt att registrera våglängder på upp till 4,5 mikrometer – vilket intressant nog är exakt det spektrum där en bilmotor eller en människokropp utsänder den kraftigaste värmesignaturen.

Varför traditionella termokameror kräver massiv kylning

Historiskt sett har termisk kamerautrustning alltid kämpat kraftigt med så kallad mörkerström. Det är kortfattat elektroniskt brus som uppstår helt av sig själv, bara för att själva kamerans sensor blir varm under drift. För att bekämpa detta brus har branschen hittills varit beroende av stora, dyra och tunga kylaggregat för att frysa ner komponenterna. Detta problem har de två asiatiska instituten nu löst permanent.

Lösningen bestod i att placera en extremt effektiv barriär av zinkoxid och polymeren P3HT mellan kvantprickarna och den bakomliggande kretsen. Detta snillrika skikt fungerar som ett filter som effektivt raderar det oönskade bruset från själva den varma elektroniken, medan den äkta infraröda strålningen från omgivningen obehindrat får passera.

Nästa teknologiska grepp är nästan ännu mer fascinerande. Istället för att bara leda strömmen vidare till ett datorchip har forskarna satt in ett tunt, lysande skikt innehållande iridium. Detta kemiska lager förvandlar omedelbart den elektriska strömmen till ett stabilt grönt ljus. Det är just detta klara ljus som en standard CMOS-matris slutligen fångar. Sensorn fungerar därmed som en tolk som gör osynlig värme till synliga ljusvågor.

Ultratunn kvantprickar av kvicksilvertellurid fångar värmestrålning upp till 4,5 mikrometer.
En specialdesignad barriär av zinkoxid och P3HT-polymer eliminerar störande mörkerström.
Det fosforescerande iridiumlagret konverterar de elektriska signalerna till skarpa gröna ljusglimtar.
En helt klassisk CMOS-kamera tar sedan upp ljusbilden i full 4K-upplösning.
Hela mekanismen fungerar utan problem vid rumstemperatur utan någon form av aktiv kylning.

Enastående prestanda i komplett mörker

Skaparna har lyckats tvinga fram en foton-till-foton-konverteringseffektivitet som smyger sig över imponerande 6 procent i det närinfraröda spektrumet. När tekniken paras med en avancerad bildsensor på hela 3840 × 2160 pixlar, representerar det ett gigantiskt och aldrig skådat kvalitetslyft för termisk fotografering. Tidigare var denna extrema detaljrikedom strikt reserverad för den absolut dyraste militärutrustningen.

Under strikta laboratorietester fångade prototypen tydliga och användbara bilder, även när signalerna utifrån var obeskrivligt svaga. Kontrollmätningarna visade en utmärkt ljusstyrka på cirka 6388 cd/m² för SWIR (kortvågigt infrarött) och 1311 cd/m² för MWIR (mellanbölge infrarött). Det dynamiska området – alltså balansen mellan ljus och mörker – imponerade också stort med respektive 38 dB och 33 dB.

Dessa siffror betyder i praktiken att enheten kan betrakta ett glödande avgasrör och en iskall vinterbakgrund på exakt samma gång utan att förlora de små detaljerna. Känsligheten sträcker sig för övrigt ända ner till 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter, vilket faktiskt motsvarar intensiteten av det svaga stjärnljus som träffar jordens yta mitt i natten.

Här kommer tekniken göra en massiv skillnad

När en kamera plötsligt kan titta obehindrat genom tät dimma, tjock brandrök och totalt frånvaro av ljus, skapar det en revolution för ett flertal stora branscher. Inledningsvis förväntas det industriella segmentet ta tekniken till sig, så att mekaniker blixtsnabbt kan upptäcka överhettade komponenter i stora fabriksmaskiner utan att behöva demontera dem först.

Inom framtidens jordbruk kommer lantbrukare kunna sväva en drönare över sina fält och använda temperaturskillnader i bladens ytor för att identifiera vattenbrist eller aggressiva växtsjukdomar, långt innan ögat kan se skadorna. Samtidigt kommer den medicinska världen få ett genialt och lättillgängligt verktyg för att snabbt lokalisera farliga inflammationstillstånd och dålig blodcirkulation hos patienter.

Exakt felsökning av alldeles för varma komponenter på fabriker och komplexa maskinrum.
Djupgående övervakning av känsliga grödor för att säkra skörden mot sjukdomsutbrott.
Strikt kvalitetskontroll av den obruten kylkedjan i den globala livsmedelstransporten.
Säker och pålitlig nattnavigering för självkörande bilar och framtida trafiksystem.
Snabb medicinsk screening som genast avslöjar allvarliga inflammationer under huden.
Ovärderlig hjälp till räddningsmanskap som desperat letar efter överlevande i tjock brandrök.
Avancerad byggnadsinspektion som med en knapptryckning lokaliserar bostadens dyraste värmeförluster.

Termisk superkraft direkt i din smartphone

Eftersom delarna kan printas blixtsnabbt på de fabriker som redan tillverkar kamerachips idag, förväntar sig experterna att denna teknologi snart träffar den breda konsumentmarknaden. Din nästa telefon kommer därmed få en markant uppgradering som potentiellt kan förändra hur vi fotograferar i mörker, eftersom optiken kommer dra nytta av omgivande kroppsvärme istället för att uteslutande förlita sig på en skarp och irriterande LED-blixt.

Den vanlige husägaren kommer kunna rikta sin smartphone mot väggar och lister för att omedelbart se var vinterkylan tränger in och var värmeräkningen försvinner ut. Bilister kommer likaså kunna ha telefonen stående i bilens framruta som en dedikerad assistent, som sänder kraftiga varningar när ett rådjur eller en cyklist gömmer sig i mörkret längre fram på vägen.

Naturligtvis medför denna ”ormsinne” i fickan också några nya utmaningar. Kameror som fångar värmesignaturer kan i vissa fall titta igenom bestämda lätta material, vilket oundvikligen kommer framkalla en större debatt om vår integritet och lagstiftningen på området. Tillverkarna måste dessutom säkerställa att det inte skapar värmeansamling i själva telefonen.

Men när tekniken på allvar rullas ut och artificiell intelligens börjar analysera de värmebilder din mobil skjuter, förändras allt. Telefonkameran förvandlas med ett trollslag från en simpel leksak till sociala medier till ett otroligt kraftfullt, analytiskt verktyg. Vi står på tröskeln till en tid där naturens äldsta jaktmetoder smälter samman med vår senaste teknologi.