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向皮皮虾学习,打造“超级相机”

2019-03-20  活石图书

图片来源:wikipedia

虾蛄的视觉能力惊人,一款模仿虾姑视觉的新设备已经在实验室成型。

撰文 | 普拉奇·帕特尔(Prachi Patel)

翻译 | 赵岩

在动物王国中,虾蛄拥有攻击速度最快的头衔,它的威力足以打破贝壳和水族箱的玻璃。它们还有世界上最复杂、最非凡的眼睛。人的眼睛有三种光感受细胞,但这些甲壳类动物有十几种,它们能够感知到其他动物看不见的光线特性。

如今,伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的工程师们已经制作出了一台相机,很好地模拟了甲壳动物令人印象深刻的视觉系统。这台长度只有3厘米左右的立方体设备在2018年10月的《光学》(Optica)杂志上出现在了大众眼前。研究人员声称,在批量生产后,每台售价可以低到10美元。他们相信,这套设备可以用来帮助汽车探测危险,帮助军用无人机看到伪装或遮挡背后的目标,并且帮助外科医生更精准地工作。

虾蛄有两种视觉超能力。首先,它们可以感知“偏振光”(polarized light),在偏振光中所有光波在同一个平面上振动(而非偏振光则在各个方向上振动)。可以反光的物体总是会反射出一组偏振光,利用这项特性可以很好地从混杂的背景中区分出这个物体。虾蛄就利用了这项特性在蓝色的海洋中寻找猎物。它们探测到的光强变化范围也特别大(动态范围很宽),这让他们可以同时看到非常明亮和非常黑暗的区域。

新的相机模仿了这两种能力。电子计算机工程师维克托·格鲁耶夫(Viktor Gruev)和同事共同合作,制造了一种由微型的硅基光线探测器组成的阵列。当然,类似的偏振单元也出现在其他商业相机中。但是,传统的探测器产生的电流与光强成线性方式增长,而新的探测器则以指数方式响应,因此,产生的动态范围大约是现行商业相机的10 000倍。研究人员还在探测器上覆盖了微型铝线,从而用来模拟虾蛄眼中的微绒毛,这是它们用来过滤和感受偏振光的管状结构。

为了进行实地测试,研究人员在一辆车上同时装了新相机和普通相机。格鲁耶夫说,虾眼相机拍摄的照片所呈现出的对比度更高,尤其是在雾气朦胧和阴雨连绵的环境下,在大量高光或者暗光的场景中,也能表现出很好的对比度。

马里兰大学的生物学教授托马斯·克罗宁(Thomas Cronin)并没有参与这项研究,但他认为虾蛄是唯一能感知到全光谱颜色和偏振的生物,因此很适合用于相机仿生学研究。他说:“这项技术可以在复杂的背景中为你呈现清晰的图像,而其他技术很难做到。”


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