螳螂虾的超级视觉激发了敏感的彩色偏振相机

作者：沃伦·米勒，特约作家

科学在哪里寻找改进光学成像技术的灵感？显然，海鲜拼盘。伊利诺伊州的一个研究小组开发了一种基于螳螂虾眼睛的相机，该相机能够检测光的颜色和偏振。这提供了对人眼看不到的世界的可见性，其影响与改进的水下研究和早期癌症检测一样广泛。

虽然人眼只包含三种不同类型的颜色感受器，但螳螂虾的眼睛有 16 种不同的颜色感受器，以及六个偏振通道，使其成为自然界中自然存在的最复杂的眼部设备之一。特别是极化对于感知特别有用。大多数人只知道防眩光太阳镜的偏振，但动物使用偏振来帮助寻找食物，通过感知天空的偏振来导航，甚至作为隐蔽的通信通道。

相机背后的研究最近在 OSA 期刊Optica上发表为“用于实时原位成像的仿生彩色偏振成像仪” 。伊利诺伊大学电气和计算机工程教授、该研究的合著者 Victor Gruev 与研究生 Missael Garcia 一起帮助开发了这款新相机。

“大自然以这样一种方式构建了螳螂虾的眼睛，即感光元件垂直堆叠在一起，”格鲁夫说。“这些器官不仅超越了我们自己的视觉系统的灵敏度，而且与当今最先进、最先进的相机相比，它们还可以使用更少的能量和空间捕获更多的视觉信息。” 

根据加西亚，同样适用于螳螂视觉系统的物理定律也适用于硅材料，这种材料用于制造我们的数码相机。通过在硅中堆叠多个光电二极管，它们可以在不使用特殊滤光片的情况下看到不同的颜色。这是因为传感器对不同波长的光吸收不同。例如，红色会更深地渗透到堆栈中，这意味着较低的传感器只会对红光做出响应，而上层的传感器会感应到蓝色能量。并且通过以周期性方式布置传感器，极化变得可检测。“通过将这项技术与金属纳米线相结合，我们有效地复制了螳螂虾视觉系统的一部分，使其能够感知颜色和偏振，”他说。

伊利诺伊州电气和计算机工程教授 Viktor Gruev（右）和研究生 Missael Garcia。图片来源： illinois.edu。

光的偏振是光在空间中分布时的振荡方向。根据两人的说法，人眼的灵敏度不足以检测偏振，迄今为止最先进的数码相机也不是。海底动物使用偏振进行通信和导航，因为它在水下效率更高，而光照水平较低。在水下，通常是在水下很远的地方，可以减少背景光噪声，这对于使用水上居民来说更为熟悉。偏振光似乎是水下更好的通信选择，这与鲸鱼使用特定声音频率的方式不同，这些声音频率可以在水下传播得比在空气中更远。

这项新技术在水下研究领域的影响是多方面的。许多海洋生物在其视觉系统中同时利用颜色和偏振。模仿它们感知的能力将帮助生物学家了解这些生物如何导航、捕猎，甚至使用极化效应进行交流。

但研究人员认为，他们的相机也可以在离家较近的地方使用。较早的研究表明，极化可用于早期检测癌症。例如，安装在结肠镜上的偏振传感器能够检测到人体结肠中癌细胞的无序性质。“我们可以检测到癌症的早期形成这一概念是推动这项研究向前发展的原因，”Gruev 说。“这项技术的成本不到 100 美元，它将在世界各地资源有限的地方实现高质量的医疗保健。”

审核编辑 黄昊宇