Mantis reje-inspireret kamera giver et indblik i den skjulte verden

Ved at efterligne øjet på mantisrejen, Illinois-forskere har udviklet et ultra-følsomt kamera, der er i stand til at registrere både farve og polarisering. Det bioinspirerede billedapparat kan potentielt forbedre tidlig kræftdetektion og hjælpe med at give en ny forståelse af undervandsfænomener, sagde forskerne.

"Dyreriget er fyldt med skabninger med meget mere følsomme og sofistikerede øjne end vores egne, sagde Viktor Gruev, en professor i el- og computerteknik fra University of Illinois og medforfatter til det nye studie. "Disse dyr opfatter naturfænomener, der er usynlige for mennesker.

"Polarisering af lys - dvs. oscillationsretningen af ​​lys, når det forplanter sig i rummet - er et sådant eksempel. Mens de fleste af os er bekendt med polariserede solbriller, som blot fjerner blænding, mange dyr bruger polariseret syn som en skjult kommunikationskanal, at finde mad, eller endda at navigere ved at fornemme polarisationsmønstre på himlen."

Mantis-rejen, betragtes som en af ​​de bedste jægere i lavt vand, har et af de mest sofistikerede øjne i naturen. Sammenlignet med menneskesyn, som har tre forskellige typer farvereceptorer, mantisrejen har 16 forskellige typer farvereceptorer og seks polarisationskanaler, sagde Gruev.

"Disse organer overgår ikke kun følsomheden i vores egne visuelle systemer, de fanger også mere visuel information, bruger mindre strøm og plads, end nutidens mest sofistikerede, avancerede kameraer, " han sagde.

Gruev og kandidatstuderende Missael Garcia førte et forsøg på at kopiere rejernes visuelle system ved hjælp af nogle grundlæggende fysiske koncepter.

De rapporterer deres resultater i journalen Optica .

"Naturen har udtænkt materialer sådan, at forskellige farver af lys trænger ind i forskellige dybder, " sagde Gruev, som også leder Biosensors Lab i Illinois. "Hvis vi skinner en blå laser og en rød laser på spidsen af ​​vores finger, vi kan kun observere det røde lys på den anden side af fingeren. Det skyldes, at det røde lys kan trænge dybere ned i vævet."

"Naturen har konstrueret mantis rejeøjet på en sådan måde, at lysfølsomme elementer er lodret stablet oven på hinanden, " sagde Gruev. Denne stabling giver mulighed for absorption af kortere bølgelængder, såsom blåt lys, i de lavvandede fotoreceptorer og rødt lys i de dybere receptorer. Fotoreceptorerne er organiseret "på en periodisk måde på nanoskalaen, der giver dem mulighed for også at 'se' lysets polariserede egenskaber, " han sagde.

"De samme fysiske love, som gælder for mantis visuelle system, gælder også for siliciummaterialer, materialet, der bruges til at bygge vores digitale kameraer," sagde Garcia. "Ved at stable flere fotodioder oven på hinanden i silicium, vi kan se farve uden brug af specielle filtre. Og ved at kombinere denne teknologi med metalliske nanotråde, vi har effektivt replikeret den del af mantis reje visuelle system, der gør det muligt for den at fornemme både farve og polarisering."

Denne unikke kombination af siliciumfotodetektorer og nanomaterialer gjorde det muligt for forskerholdet i Illinois at skabe et peg-og-skyd farvepolariseringskamera. Anvendelserne for sådanne kameraer spænder vidt, fra tidlig opdagelse af kræft til overvågning af ændringer i miljøet til afkodning af de skjulte kommunikationskanaler, som mange undervandsvæsner ser ud til at udnytte, sagde forskerne.

I en tidligere offentliggjort undersøgelse af Gruev, en bioinspireret polarisationssensor monteret på et koloskop kunne detektere den uordnede natur af kræftceller i den menneskelige tyktarm.

"Ved at efterligne mantis reje visuelle system, vi har skabt et unikt kamera, der kan bruges til at forbedre kvaliteten af ​​vores liv, " sagde Gruev. "Forestillingen om, at vi kan opdage tidlig dannelse af kræft, er det, der driver denne forskning fremad. Omkostningerne ved denne teknologi er mindre end $100, som vil muliggøre kvalitetssundhedspleje på ressourcebegrænsede steder rundt om i verden."