一个研究小组以螳螂虾为灵感设计了一套成像系统

色彩艳丽的甲壳类动物居然是改善癌症检测技术的希望？螳螂虾非同寻常的视力——动物王国中最发达的视觉系统——成为新一代仿生研究对象。一个研究小组以螳螂虾为灵感设计了一套成像系统，期望以此打造新型的癌症检测工具。

螳螂虾：一种值得关注的生物

海底岩石的裂缝中躲藏着一种平均身长约 10 cm 的小型甲壳类动物。这些生物的名字叫做螳螂虾，别看它们身材矮小，坚硬的“拳头”却不容小觑。发现猎物后，这种侵略性强的生物会立即展开残暴的攻击，刺穿或击碎猎物（发狠时曾击碎过水族箱的玻璃）。螳螂虾甚至可以创造出小型内爆，产生光、热和声音。

螳螂虾多达数百种，其中孔雀螳螂虾拥有鲜艳多彩的外观。图片由 Christian Gloor 提供。获得 CC BY 2.0 许可，通过 Flickr Creative Commons 分享。

螳螂虾可不只有力量名声在外。为了更好地定位猎物和捕食者，它们也进化出了卓越的视觉能力。它们的眼睛中有多达 16 种颜色感受器（多数人类只有 3 种）。除此之外，它们的眼睛可以独立移动，还有 6 个可以捕捉光线极化的通道，不愧为大自然中最复杂的眼睛系统。

孔雀螳螂虾的绘画作品。

与现代相机相比，螳螂虾的高灵敏度视觉系统可以捕获更多高质量信息，而不会消耗太多能量，占用额外空间。这启发了由来自美国圣路易斯华盛顿大学；美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校；以及英国剑桥大学动物学系的科学家组成的研究小组，他们提出了一个想法：“如果模拟螳螂虾的视觉能力设计一个成像系统，将会怎样？”

受生物学启发的超灵敏成像系统

该团队开发的单芯片成像系统由垂直堆叠的硅基光电探测器构成，这种光电探测器利用了纳米线偏振滤波器进行单片集成。利用这些组件，紧凑型成像仪能够以低功耗实时准确地生成高分辨率的色彩与偏振数据。

利用系统获取偏振数据的功能，人们可以获知丰富的信息，例如材料与组织的属性、结构组成、表面粗糙度甚至是三维形状。在自然界中，动物利用能看见偏振光的视觉优势来寻找食物、野外导航，并向其他动物传达信息。在明亮的环境中，人类也会配戴偏光太阳镜。

偏光太阳镜。图片由 Rick Kimpel 提供。获得 CC BY 2.0 许可，通过 Flickr Creative Commons 分享。

人们预计，受螳螂虾启发的成像系统可以为许多潜在应用生成彩色偏振图像。一个应用示例是加强对生活在自然栖息地的海洋生物的了解。此外，由于成像系统坚固而紧凑，还可用于水下摄像机，帮助研究人员监测水下环境的变化和研究海洋物种，一些科学家还将偏振成像应用于隐蔽通信。

这项研究的最初动力是挖掘新型成像系统在早期癌症诊断方面的应用潜力。研究人员发现，该设备可以有效地测量可见光谱中的偏振信号，而且误差较小。成像系统的精确度和出色的偏振灵敏性有助于检测癌症征兆，因为它能够识别生物组织中细微的偏振状态变化。不仅如此，该技术的制造成本和功率需求很低，所以更容易在全球范围内实现医疗用途。