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作者：沃倫·米勒，特約作家
科學在哪里尋找改進光學成像技術(shù)的靈感？顯然，海鮮拼盤。伊利諾伊州的一個研究小組開發(fā)了一種基于螳螂蝦眼睛的相機，該相機能夠檢測光的顏色和偏振。這提供了對人眼看不到的世界的可見性，其影響與改進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，以及六個偏振通道，使其成為自然界中自然存在的最復雜的眼部設備之一。特別是極化對于感知特別有用。大多數(shù)人只知道防眩光太陽鏡的偏振，但動物使用偏振來幫助尋找食物，通過感知天空的偏振來導航，甚至作為隱蔽的通信通道。
相機背后的研究最近在 OSA 期刊Optica上發(fā)表為“用于實時原位成像的仿生彩色偏振成像儀” 。伊利諾伊大學電氣和計算機工程教授、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。
“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。“這些器官不僅超越了我們自己的視覺系統(tǒng)的靈敏度，而且與當今最先進、最先進的相機相比，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。通過在硅中堆疊多個光電二極管，它們可以在不使用特殊濾光片的情況下看到不同的顏色。這是因為傳感器對不同波長的光吸收不同。例如，紅色會更深地滲透到堆棧中，這意味著較低的傳感器只會對紅光做出響應，而上層的傳感器會感應到藍色能量。并且通過以周期性方式布置傳感器，極化變得可檢測。“通過將這項技術(shù)與金屬納米線相結(jié)合，我們有效地復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算機工程教授 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，迄今為止最先進的數(shù)碼相機也不是。海底動物使用偏振進行通信和導航，因為它在水下效率更高，而光照水平較低。在水下，通常是在水下很遠的地方，可以減少背景光噪聲，這對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。
這項新技術(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)中同時利用顏色和偏振。模仿它們感知的能力將幫助生物學家了解這些生物如何導航、捕獵，甚至使用極化效應進行交流。
但研究人員認為，他們的相機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這項研究向前發(fā)展的原因，”Gruev 說。“這項技術(shù)的成本不到 100 美元，它將在世界各地資源有限的地方實現(xiàn)高質(zhì)量的醫(yī)療保健?！?br />
審核編輯 黃昊宇
工商網(wǎng)監(jiān)
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