模仿皮皮虾眼睛打造出超敏感相机 或可用于癌症检测
摘要: 在动物王国中,虾蛄拥有攻击速度最快的头衔,它的威力足以打破贝壳和水族箱的玻璃。它们还有世界上最复杂、最非凡的眼睛。人的眼睛有三种光感受细胞,但这些甲壳类动物有十几种,它们能够感知到其他动物看不见的光线特性。
在动物王国中,虾蛄拥有攻击速度最快的头衔,它的威力足以打破贝壳和水族箱的玻璃。它们还有世界上最复杂、最非凡的眼睛。人的眼睛有三种光感受细胞,但这些甲壳类动物有十几种,它们能够感知到其他动物看不见的光线特性。如今,通过模仿皮皮虾的眼睛,伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的工程师们已经制作出了一台 “能够感知颜色和偏振光”的超敏感相机,很好地模拟了甲壳动物令人印象深刻的视觉系统。生物素摄像机在改善早期癌症检测上具有潜力,也能对水下现象提供新的认识。
这台长度只有3厘米左右的立方体设备在2018年10月的《光学》(Optica)杂志上出现在了大众眼前。研究人员声称,在批量生产后,每台售价可以低到10美元。他们相信,这套设备可以用来帮助汽车探测危险,帮助军用无人机看到伪装或遮挡背后的目标,并且帮助外科医生更精准地工作。
“动物王国里充满了比人类的眼睛更为敏锐和复杂的生物。它们能感知到我们无法看见的自然现象,”伊利诺斯大学电气和计算机工程学教授、研究论文的共同作者维克托·格鲁夫(Viktor Gruev)说。
据悉,人类眼睛中用来感知颜色的视锥细胞只有三种,即红色、绿色和蓝色,恰当组合这三种感受器的话,我们是能得到任何可感知的颜色的。许多鸟类、爬行类动物以及昆虫有四种颜色感受器。有的动物有五种,例如鸽子、蝴蝶等。皮皮虾的颜色感受器竟然有16种。
更加神奇的是,皮皮虾能捕捉的色彩范围很广,但是它们的脑部又非常小,所以搞清楚“皮皮虾如何处理这些色彩信息”是件很有意义的事情,因为这能给现有的相机提供一种降低耗能和节约空间的方法。
虾蛄有两种视觉超能力。首先,它们可以感知“偏振光”(polarized light),在偏振光中所有光波在同一个平面上振动(而非偏振光则在各个方向上振动)。可以反光的物体总是会反射出一组偏振光,利用这项特性可以很好地从混杂的背景中区分出这个物体。虾蛄就利用了这项特性在蓝色的海洋中寻找猎物。它们探测到的光强变化范围也特别大(动态范围很宽),这让他们可以同时看到非常明亮和非常黑暗的区域。
新的相机模仿了这两种能力。电子计算机工程师维克托·格鲁耶夫(Viktor Gruev)和同事共同合作,制造了一种由微型的硅基光线探测器组成的阵列。当然,类似的偏振单元也出现在其他商业相机中。但是,传统的探测器产生的电流与光强成线性方式增长,而新的探测器则以指数方式响应,因此,产生的动态范围大约是现行商业相机的10 000倍。研究人员还在探测器上覆盖了微型铝线,从而用来模拟虾蛄眼中的微绒毛,这是它们用来过滤和感受偏振光的管状结构。
为了进行实地测试,研究人员在一辆车上同时装了新相机和普通相机。格鲁耶夫说,虾眼相机拍摄的照片所呈现出的对比度更高,尤其是在雾气朦胧和阴雨连绵的环境下,在大量高光或者暗光的场景中,也能表现出很好的对比度。
马里兰大学的生物学教授托马斯·克罗宁(Thomas Cronin)并没有参与这项研究,但他认为虾蛄是唯一能感知到全光谱颜色和偏振的生物,因此很适合用于相机仿生学研究。他说:“这项技术可以在复杂的背景中为你呈现清晰的图像,而其他技术很难做到。”
研究人员说,这种相机的应用范围很广,从早期的癌症检测到监测环境变化,以及解码许多水下生物似乎在利用的秘密交流通道。在Gruev先前发表的一项研究中,一种适合于结肠镜的仿生偏振传感器可以检测人结肠癌细胞的无序性质。
“通过模仿皮皮虾的视觉系统,我们开发了一种独特的相机,可以用来提高我们的生活质量,”Gruev说。“我们可以检测到癌症的早期形成的理念正在推动这项研究向前,这项技术的成本低于100美元,这将在全球资源有限的地方实现优质的医疗保健。”
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