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受皮皮虾启发的超灵敏相机可以窥探隐秘世界

发布:opticsphotonics阅读:3085时间:2017-10-18 16:54:30

伊利诺斯电气和计算机工程教授Viktor Gruev(图右)和研究生Misseal Garcia已经开发出一种能够通过模仿皮皮虾(螳螂虾)的眼睛来感知颜色和偏振的相机,它有助于改善早期癌症的检测和为水下现象提供新认识。图片来源:L. Brian Stauffer。

通过模仿皮皮虾的眼睛,伊利诺伊州的研究人员开发了一种能够感测色彩和偏振的超灵敏摄像机。 研究人员说,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。

伊利诺伊大学电气与计算机工程教授、这项新研究的合作者Viktor Gruev说,动物王国充满了比人眼更加敏感、复杂眼睛的生物。这些动物可以看到人类看不见的自然现象。

举一个例子——光的偏振,即光在空间中传播时的振荡方向。虽然我们大多数人都熟悉偏振太阳镜,它只是用于消除眩光,而许多动物却使用偏振视觉作为一个隐蔽的沟通渠道,用来寻找食物,甚至通过感测天空中的偏振模式来导航。

皮皮虾,被认为是浅水中最好的猎手之一,它拥有自然界中最复杂的眼睛之一。Gruev说,人类的视觉能够感受三种不同颜色,而皮皮虾能够感受16种不同颜色和6个偏振方向。

他说,这些器官不仅超过了我们视觉系统的灵敏度,与目前最先进相机相比,可以在使用更少的能量和空间基础上,捕捉到更多的视觉信息。”

Gruev和研究生Missael Garcia率先用一些基本的物理概念来复制虾的视觉系统。

他们在“光学(Optica)”杂志上报道了这项发现。

“大自然中不同颜色的光能穿透到不同深度的材料,” Gruev说,他同时也是伊利诺伊生物传感器实验室的负责人。“如果我们用蓝色激光和红色激光照射我们的指尖,我们只能看到手指另一边的红光。”这是因为红光可以穿透更深的组织。

“大自然创造的皮皮虾眼,光敏单元垂直堆叠在彼此的顶部,”Gruev说道。“这种堆叠允许在浅层光感受器中吸收较短的波长,例如蓝光;在较深的光感受器吸收红光。光感受器以一种在纳米尺度周期性的方式有条理的排列,让它们也能‘看到’光的偏振特性。”他说。

“适用于螳螂视觉系统的物理定律同样也适用于硅材料,用于制造数码相机的硅材料,” Garcia说道。“通过将多个光电二极管堆叠在硅上,我们可以在不用特殊滤波器的条件下看到颜色。通过将这种技术与金属纳米线结合在一起,我们有效地复制了皮皮虾视觉系统的一部分,使它能够感知色彩和偏振。”

这种硅光电探测器和纳米材料的独特结合使得伊利诺斯研究小组制造了一个点-射彩色偏振相机。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。”

来源:https://phys.org/news/2017-10-mantis-shrimp-inspired-camera-enables-glimpse.html

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