色彩艷麗的甲殼類動物居然是改善癌癥檢測技術(shù)的希望？螳螂蝦非同尋常的視力——動物王國中最發(fā)達(dá)的視覺系統(tǒng)——成為新一代仿生研究對象。一個(gè)研究小組以螳螂蝦為靈感設(shè)計(jì)了一套成像系統(tǒng)，期望以此打造新型的癌癥檢測工具。

螳螂蝦：一種值得關(guān)注的生物

海底巖石的裂縫中躲藏著一種平均身長約 10 cm 的小型甲殼類動物。這些生物的名字叫做螳螂蝦，別看它們身材矮小，堅(jiān)硬的“拳頭”卻不容小覷。發(fā)現(xiàn)獵物后，這種侵略性強(qiáng)的生物會立即展開殘暴的攻擊，刺穿或擊碎獵物（發(fā)狠時(shí)曾擊碎過水族箱的玻璃）。螳螂蝦甚至可以創(chuàng)造出小型內(nèi)爆，產(chǎn)生光、熱和聲音。

螳螂蝦多達(dá)數(shù)百種，其中孔雀螳螂蝦擁有鮮艷多彩的外觀。圖片由 Christian Gloor 提供。獲得 CC BY 2.0 許可，通過 Flickr Creative Commons 分享。

螳螂蝦可不只有力量名聲在外。為了更好地定位獵物和捕食者，它們也進(jìn)化出了卓越的視覺能力。它們的眼睛中有多達(dá) 16 種顏色感受器（多數(shù)人類只有 3 種）。除此之外，它們的眼睛可以獨(dú)立移動，還有 6 個(gè)可以捕捉光線極化的通道，不愧為大自然中最復(fù)雜的眼睛系統(tǒng)。

孔雀螳螂蝦的繪畫作品。

與現(xiàn)代相機(jī)相比，螳螂蝦的高靈敏度視覺系統(tǒng)可以捕獲更多高質(zhì)量信息，而不會消耗太多能量，占用額外空間。這啟發(fā)了由來自美國圣路易斯華盛頓大學(xué)；美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校；以及英國劍橋大學(xué)動物學(xué)系的科學(xué)家組成的研究小組，他們提出了一個(gè)想法：“如果模擬螳螂蝦的視覺能力設(shè)計(jì)一個(gè)成像系統(tǒng)，將會怎樣？”

受生物學(xué)啟發(fā)的超靈敏成像系統(tǒng)

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的單芯片成像系統(tǒng)由垂直堆疊的硅基光電探測器構(gòu)成，這種光電探測器利用了納米線偏振濾波器進(jìn)行單片集成。利用這些組件，緊湊型成像儀能夠以低功耗實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地生成高分辨率的色彩與偏振數(shù)據(jù)。

利用系統(tǒng)獲取偏振數(shù)據(jù)的功能，人們可以獲知豐富的信息，例如材料與組織的屬性、結(jié)構(gòu)組成、表面粗糙度甚至是三維形狀。在自然界中，動物利用能看見偏振光的視覺優(yōu)勢來尋找食物、野外導(dǎo)航，并向其他動物傳達(dá)信息。在明亮的環(huán)境中，人類也會配戴偏光太陽鏡。

偏光太陽鏡。圖片由 Rick Kimpel 提供。獲得 CC BY 2.0 許可，通過 Flickr Creative Commons 分享。

人們預(yù)計(jì)，受螳螂蝦啟發(fā)的成像系統(tǒng)可以為許多潛在應(yīng)用生成彩色偏振圖像。一個(gè)應(yīng)用示例是加強(qiáng)對生活在自然棲息地的海洋生物的了解。此外，由于成像系統(tǒng)堅(jiān)固而緊湊，還可用于水下攝像機(jī)，幫助研究人員監(jiān)測水下環(huán)境的變化和研究海洋物種，一些科學(xué)家還將偏振成像應(yīng)用于隱蔽通信。

這項(xiàng)研究的最初動力是挖掘新型成像系統(tǒng)在早期癌癥診斷方面的應(yīng)用潛力。研究人員發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備可以有效地測量可見光譜中的偏振信號，而且誤差較小。成像系統(tǒng)的精確度和出色的偏振靈敏性有助于檢測癌癥征兆，因?yàn)樗軌蜃R別生物組織中細(xì)微的偏振狀態(tài)變化。不僅如此，該技術(shù)的制造成本和功率需求很低，所以更容易在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療用途。