«Царство животных полно существ с гораздо более чувствительными и изощренными глазами, чем у нас», — сказал Виктор Груев, профессор электротехники и компьютерной инженерии Университета Иллинойса и соавтор нового исследования. «Эти животные воспринимают невидимые для человека природные явления.«Поляризация света — то есть направление колебаний света при его распространении в пространстве — является одним из таких примеров. Хотя большинство из нас знакомы с поляризованными солнцезащитными очками, которые просто удаляют блики, многие животные используют поляризованное зрение как скрытое канал связи, чтобы найти пищу или даже ориентироваться, ощущая поляризационные узоры в небе ».
Креветка-богомол, считающаяся одним из лучших охотников на мелководье, обладает одним из самых изощренных глаз в природе. По словам Груева, по сравнению с человеческим зрением, которое имеет три различных типа цветовых рецепторов, креветка-богомол имеет 16 различных типов цветовых рецепторов и шесть каналов поляризации.«Эти органы не только превосходят по чувствительности наши собственные зрительные системы, они также собирают больше визуальной информации, используя меньше энергии и пространства, чем самые современные современные камеры», — сказал он.Груев и аспирант Мисаэль Гарсия возглавили попытку воспроизвести зрительную систему креветок, используя некоторые базовые физические концепции.
Они сообщают о своих выводах в журнале Optica.«Природа разработала такие материалы, что свет разных цветов проникает на разную глубину», — сказал Груев, который также руководит лабораторией биосенсоров в Иллинойсе. «Если мы посветим синим лазером и красным лазером на кончик пальца, мы сможем наблюдать только красный свет с другой стороны пальца.
Это потому, что красный свет может проникать глубже в ткани».«Природа сконструировала глаз креветки-богомола таким образом, что светочувствительные элементы располагаются вертикально друг над другом», — сказал Груев. Такое наложение позволяет поглощать более короткие волны, такие как синий свет, мелкими фоторецепторами и красный свет более глубокими рецепторами. По его словам, фоторецепторы организованы «периодическим образом на наномасштабе, что позволяет им также« видеть »поляризованные свойства света».
«Те же законы физики, которые применяются к визуальной системе богомола, также применимы к кремниевым материалам, материалам, используемым для создания наших цифровых камер», — сказал Гарсия. «Уложив несколько фотодиодов друг на друга в кремнии, мы можем видеть цвет без использования специальных фильтров. А, объединив эту технологию с металлическими нанопроволочками, мы эффективно воспроизвели часть визуальной системы креветок-богомолов, которая позволяет ему воспринимать цвет и поляризация ".Эта уникальная комбинация кремниевых фотоприемников и наноматериалов позволила исследовательской группе из Иллинойса создать камеру с цветовой поляризацией типа «наведи и снимай». По словам исследователей, такие камеры могут применяться в самых разных областях: от раннего обнаружения рака до мониторинга изменений в окружающей среде и декодирования скрытых каналов связи, которые, по-видимому, используют многие подводные существа.
В ранее опубликованном исследовании Груева биоинспирированный датчик поляризации, установленный на колоноскопе, мог обнаруживать неупорядоченную природу раковых клеток в толстой кишке человека.«Имитируя визуальную систему креветок-богомолов, мы создали уникальную камеру, которую можно использовать для улучшения качества нашей жизни», — сказал Груев. «Идея о том, что мы можем обнаружить раннее формирование рака, — вот что движет вперед в этом исследовании.
Стоимость этой технологии составляет менее 100 долларов, что позволит обеспечить качественную медицинскую помощь в местах с ограниченными ресурсами по всему миру».