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生物技術(shù)：“蝦蛄眼”相機(jī)

來(lái)源：環(huán)球科學(xué)

發(fā)布時(shí)間：2021-05-28

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生物技術(shù)：“蝦蛄眼”相機(jī)

一只雌性蝦蛄。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)

在動(dòng)物王國(guó)中，蝦蛄擁有攻擊速度最快的頭銜，它的威力足以打破貝殼和水族箱的玻璃。它們還有世界上最復(fù)雜、最非凡的眼睛。人的眼睛有三種光感受細(xì)胞，但這些甲殼類動(dòng)物有十幾種，它們能夠感知到其他動(dòng)物看不見(jiàn)的光線特性。

如今，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的工程師們已經(jīng)制作出了一臺(tái)相機(jī)，很好地模擬了甲殼動(dòng)物令人印象深刻的視覺(jué)系統(tǒng)。這臺(tái)長(zhǎng)度只有3厘米左右的立方體設(shè)備在《光學(xué)》（Optica）雜志上出現(xiàn)在了大眾眼前。研究人員聲稱，在批量生產(chǎn)后，每臺(tái)售價(jià)可以低到10美元。他們相信，這套設(shè)備可以用來(lái)幫助汽車探測(cè)危險(xiǎn)，幫助軍用無(wú)人機(jī)看到偽裝或遮擋背后的目標(biāo)，并且?guī)椭饪漆t(yī)生更精準(zhǔn)地工作。

蝦蛄眼部特寫。圖片來(lái)源：Alexander Vasenin

蝦蛄有兩種視覺(jué)超能力。首先，它們可以感知“偏振光”（polarized light），在偏振光中所有光波在同一個(gè)平面上振動(dòng)（而非偏振光則在各個(gè)方向上振動(dòng)）?？梢苑垂獾奈矬w總是會(huì)反射出一組偏振光，利用這項(xiàng)特性可以很好地從混雜的背景中區(qū)分出這個(gè)物體。蝦蛄就利用了這項(xiàng)特性在藍(lán)色的海洋中尋找獵物。它們探測(cè)到的光強(qiáng)變化范圍也特別大（動(dòng)態(tài)范圍很寬），這讓他們可以同時(shí)看到非常明亮和非常黑暗的區(qū)域。

新的相機(jī)模仿了這兩種能力。電子計(jì)算機(jī)工程師維克托·格魯耶夫（Viktor Gruev）和同事共同合作，制造了一種由微型的硅基光線探測(cè)器組成的陣列。當(dāng)然，類似的偏振單元也出現(xiàn)在其他商業(yè)相機(jī)中。但是，傳統(tǒng)的探測(cè)器產(chǎn)生的電流與光強(qiáng)成線性方式增長(zhǎng)，而新的探測(cè)器則以指數(shù)方式響應(yīng)，因此，產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)范圍大約是現(xiàn)行商業(yè)相機(jī)的10 000倍。研究人員還在探測(cè)器上覆蓋了微型鋁線，從而用來(lái)模擬蝦蛄眼中的微絨毛，這是它們用來(lái)過(guò)濾和感受偏振光的管狀結(jié)構(gòu)。

一只蝦蛄。圖片來(lái)源：Silke Baron

為了進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，研究人員在一輛車上同時(shí)裝了新相機(jī)和普通相機(jī)。格魯耶夫說(shuō)，蝦眼相機(jī)拍攝的照片所呈現(xiàn)出的對(duì)比度更高，尤其是在霧氣朦朧和陰雨連綿的環(huán)境下，在大量高光或者暗光的場(chǎng)景中，也能表現(xiàn)出很好的對(duì)比度。

馬里蘭大學(xué)的生物學(xué)教授托馬斯·克羅寧（Thomas Cronin）并沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，但他認(rèn)為蝦蛄是唯一能感知到全光譜顏色和偏振的生物，因此很適合用于相機(jī)仿生學(xué)研究。他說(shuō)：“這項(xiàng)技術(shù)可以在復(fù)雜的背景中為你呈現(xiàn)清晰的圖像，而其他技術(shù)很難做到。”

撰文：普拉奇·帕特爾（Prachi Patel）

翻譯：趙巖

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