邓涛团队在PNAS发表关于以人手作为智能红外光源的研究成果

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近日，国际著名学术期刊PNAS在线发表了上海交通大学材料科学与工程学院邓涛教授团队的研究成果“Human hand as a powerless and multiplexed infrared light source for information decryption and complex signal generation”。论文链接：https://www.pnas.org/content/118/15/e2021077118。该研究论文邓涛教授、尚文副研究员为共同通讯作者，博士生安顺为论文第一作者。
光源在生物系统以及人类社会的发展进程中扮演着举足轻重的角色。红外光源作为光源中的一种，在传感、能源、通讯、军事等领域得到了广泛的应用，各种人造红外光源，如红外激光、红外发光二极管以及热发射器等因此不断发展。然而，这些人造光源的使用不仅会为整个系统带来额外的能源损耗，而且只能在有电力供应的场合应用。相对于人造红外光源，人体是一个天然的红外光源，发射的红外光峰值在9 μm左右，正好处于大气透射窗口（7.5 μm~14 μm）且发射的为非相干光。基于这一原理，这项工作研究了手作为一个天然智能红外光源在不同系统里面的应用：（1）整只手作为光源集成到防伪系统中进行信息识别；（2）每根手指作为一个独立的红外光源集成到信号生成系统中进行手语识别（图1（A-B））。

图1.手作为一个天然且智能化的红外光源：（A）整只手作为光源和（B）每根手指作为独立光源的示意图。

在将手集成到基于反射的防伪系统中进行信息识别的工作中，防伪标签由铝基底上喷涂透明的聚二甲基硅氧烷（PDMS）图案构成。金属铝对红外光具有很强的反射率而PDMS聚合物由于官能团的红外吸收导致反射率降低。当手作为红外光源放在防伪标签一侧时，防伪图案的不同部分反射的红外光强度不同，这种强度不同被红外相机捕捉并可视化，从而使得肉眼不可见的防伪图案被识别出来。通过调控PDMS薄膜的红外反射率，本研究进一步实现了多级彩色信息加密与识别，与单色的防伪图案相比，进一步提高了信息加密的等级与安全性（图2）。

图2.手作为红外光源进行信息识别：（A）PDMS厚度对红外反射率（即PDMS表观温度）的影响。（B）单色信息加密与识别（标尺：5mm）。（C）多级信息加密与识别（标尺：5mm）。（D）指纹识别（标尺：5mm）。（E）随机图案的多级彩色识别（标尺：1mm）。

       不仅整只手可以作为一个光源，每根手指也可以作为独立的红外光源且发射的红外光可以被金属反射型光栅衍射。通过调控光栅的周期及取向，每根手指发射的红外光可以选择性地被特定的光栅衍射，从而将该光栅“照亮”。光源的数量以及相对位置可以通过改变手势进行调节。当改变手势时，红外相机可以从同一个光栅阵列中识别出不同的红外衍射图案，且这些衍射图案与手势之间一一对应（图3(A)）。本研究进一步将手势作为密钥集成到防伪系统中，进一步提高了防伪的等级以及信息加密的安全性（图3（B））。

图3. 手势作为密钥进行信息加密与识别：（A）不同手势产生不同的衍射图案。（B）将手势为密钥集成到防伪系统中，只有正确的手势才能识别出正确的防伪信息。

        这种手势与红外衍射图案之间的一一对应关系进一步被集成到信号生成系统中以实现手语识别功能。本研究设计了一种仅需三根手指即可产生26种手势以及相应的26种红外衍射图案的手语识别系统，并将这26种红外衍射图案与26个英文字母一一对应（图4）。与传统的直接识别手势轮廓的手语识别系统相比，本研究将复杂的手势转换成简单的红外衍射图案进行识别，不仅避免了环境光线以及复杂背景对于识别的干扰，在手势分割、特征提取等方面也具有高的鲁棒性，采用简单的算法即可以实现实时快速的手语识别。

图4.基于手指与光栅选择性相互作用的手语识别系统：（A）光栅阵列与不同的手势之间的选择性作用产生特定的红外衍射图案。（B）衍射图案、手语以及对应字母之间的对照表。

        本研究证明了手作为一个天然且智能化的红外光源在不同系统中的应用。将手集成到这些系统里不仅提高了系统的可持续性，并且由于大脑直接参与光源的调控，所以也进一步提高了系统的智能性和可控制性。这项工作为提高工程系统的可持续性和智能性提供了一种新思路，可以促进以人体红外光源取代人造红外光源在更多领域的应用。
       上述研究得到了国家重点研发计划（No.2016YFB0402100），国家自然科学基金（No.51521004），111项目（No.B16032），上海市教委创新计划项目（No.2019-01-07-00-02-E00069）以及上海交通大学氢科学中心的资助。
           文章来源：上海交通大学
      邓涛，上海交通大学材料学院“致远”讲席教授。他的研究集中于仿生材料和微纳米仿生器件的制备及功能研究，包括仿生材料在能源的转换与储存，生物与化学检测，和光学调控方面的研究与应用。邓教授在材料科学和化学领域有着长期的工作经验。在中国科学技术大学获得材料化学学位后，他继续前往哈佛大学攻读博士学位，主攻方向为非常规微纳米结构及系统的制备。在获得博士学位后，他以博士后的身份加入麻省理工学院材料科学与工程系，专注于微纳米光子晶体的研究。2003年，邓教授加入通用电气位于美国纽约尼斯卡尤纳的全球研究中心，担任通用电气多个内外项目的高级科学家和首席研究员。2012年，邓教授转入上海交通大学。