作者：沃倫·米勒，特約作家

科學(xué)在哪里尋找改進(jìn)光學(xué)成像技術(shù)的靈感？顯然，海鮮拼盤。伊利諾伊州的一個(gè)研究小組開發(fā)了一種基于螳螂蝦眼睛的相機(jī)，該相機(jī)能夠檢測光的顏色和偏振。這提供了對(duì)人眼看不到的世界的可見性，其影響與改進(jìn)的水下研究和早期癌癥檢測一樣廣泛。

雖然人眼只包含三種不同類型的顏色感受器，但螳螂蝦的眼睛有 16 種不同的顏色感受器，以及六個(gè)偏振通道，使其成為自然界中自然存在的最復(fù)雜的眼部設(shè)備之一。特別是極化對(duì)于感知特別有用。大多數(shù)人只知道防眩光太陽鏡的偏振，但動(dòng)物使用偏振來幫助尋找食物，通過感知天空的偏振來導(dǎo)航，甚至作為隱蔽的通信通道。

相機(jī)背后的研究最近在 OSA 期刊Optica上發(fā)表為“用于實(shí)時(shí)原位成像的仿生彩色偏振成像儀” 。伊利諾伊大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程教授、該研究的合著者 Victor Gruev 與研究生 Missael Garcia 一起幫助開發(fā)了這款新相機(jī)。

“大自然以這樣一種方式構(gòu)建了螳螂蝦的眼睛，即感光元件垂直堆疊在一起，”格魯夫說?！斑@些器官不僅超越了我們自己的視覺系統(tǒng)的靈敏度，而且與當(dāng)今最先進(jìn)、最先進(jìn)的相機(jī)相比，它們還可以使用更少的能量和空間捕獲更多的視覺信息?！?

根據(jù)加西亞，同樣適用于螳螂視覺系統(tǒng)的物理定律也適用于硅材料，這種材料用于制造我們的數(shù)碼相機(jī)。通過在硅中堆疊多個(gè)光電二極管，它們可以在不使用特殊濾光片的情況下看到不同的顏色。這是因?yàn)?a href="http://www.www27dydycom.cn/v/tag/117/" target="_blank">傳感器對(duì)不同波長的光吸收不同。例如，紅色會(huì)更深地滲透到堆棧中，這意味著較低的傳感器只會(huì)對(duì)紅光做出響應(yīng)，而上層的傳感器會(huì)感應(yīng)到藍(lán)色能量。并且通過以周期性方式布置傳感器，極化變得可檢測?！巴ㄟ^將這項(xiàng)技術(shù)與金屬納米線相結(jié)合，我們有效地復(fù)制了螳螂蝦視覺系統(tǒng)的一部分，使其能夠感知顏色和偏振，”他說。

伊利諾伊州電氣和計(jì)算機(jī)工程教授 Viktor Gruev（右）和研究生 Missael Garcia。圖片來源： illinois.edu。

光的偏振是光在空間中分布時(shí)的振蕩方向。根據(jù)兩人的說法，人眼的靈敏度不足以檢測偏振，迄今為止最先進(jìn)的數(shù)碼相機(jī)也不是。海底動(dòng)物使用偏振進(jìn)行通信和導(dǎo)航，因?yàn)樗谒滦矢?，而光照水平較低。在水下，通常是在水下很遠(yuǎn)的地方，可以減少背景光噪聲，這對(duì)于使用水上居民來說更為熟悉。偏振光似乎是水下更好的通信選擇，這與鯨魚使用特定聲音頻率的方式不同，這些聲音頻率可以在水下傳播得比在空氣中更遠(yuǎn)。

這項(xiàng)新技術(shù)在水下研究領(lǐng)域的影響是多方面的。許多海洋生物在其視覺系統(tǒng)中同時(shí)利用顏色和偏振。模仿它們感知的能力將幫助生物學(xué)家了解這些生物如何導(dǎo)航、捕獵，甚至使用極化效應(yīng)進(jìn)行交流。

但研究人員認(rèn)為，他們的相機(jī)也可以在離家較近的地方使用。較早的研究表明，極化可用于早期檢測癌癥。例如，安裝在結(jié)腸鏡上的偏振傳感器能夠檢測到人體結(jié)腸中癌細(xì)胞的無序性質(zhì)?！拔覀兛梢詸z測到癌癥的早期形成這一概念是推動(dòng)這項(xiàng)研究向前發(fā)展的原因，”Gruev 說。“這項(xiàng)技術(shù)的成本不到 100 美元，它將在世界各地資源有限的地方實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的醫(yī)療保健。”

審核編輯 黃昊宇