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出品：科普中國

制作：蘇澄宇

監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

這是一只螳螂蝦：

圖片來源：Wikimedia

關(guān)于螳螂蝦，我們知道得最多的就是，它有著一雙出拳快如閃電的拳頭。

具體有多快，快到彷佛一根壓縮后被釋放的彈簧，只需要1-2毫秒時(shí)間就可以完成出拳，這個(gè)速度下，神經(jīng)反饋都不足以改變已彈射的拳頭。

慢動(dòng)作下的螳螂蝦出拳，擊破螳螂蝦的殼分分鐘的事（圖片來源：isolophobia）

不過今天我們的主題并不是關(guān)于它的拳頭，而是它的那雙可以救人的眼睛。

螳螂蝦眼睛怎么救人的，聽著有點(diǎn)離譜？

不要著急，先聽我介紹螳螂蝦的眼睛。

圖片來源：gycat

螳螂蝦除了有著地球上最快的拳頭，還有著有地球上最復(fù)雜的視覺系統(tǒng)。它和其他昆蟲一樣，用的是復(fù)眼。

它的復(fù)眼有3層感光細(xì)胞，每層細(xì)胞對不同波長的光作出反應(yīng)。螳螂蝦一共有16種不同類型的光感受器，能同時(shí)接收處理不同波長的光線。注意，是同時(shí)。

螳螂蝦的眼睛，dPR（dorsal Peripheral Region）是背部外圍區(qū)，vPR（ventral Peripheral Region）是腹部外圍區(qū)，二者大致對稱；MB（Mid-Band region）是中間帶狀區(qū)

（圖片來源：參考文獻(xiàn)2）

其中3種光感受用來探測紫外光，9種用來探測可見光，其余的用來感受紅外光。

相比之下，人類的只有3種顏色的光感受器，紅、綠、藍(lán)，因此人類的可見光范圍和螳螂蝦相比，小得不是一星半點(diǎn)。

這些感光細(xì)胞可以相互獨(dú)立平行地處理信息，感光細(xì)胞輸出不通過神經(jīng)比較，色彩信息直接從視網(wǎng)膜傳到大腦。

這意味著大腦可以同時(shí)看到可見光和紫外光以及紅外光。

在癌組織切除手術(shù)中，有時(shí)需要用到熒光蛋白來標(biāo)記癌細(xì)胞，讓癌組織切除變得更加方便，這時(shí)候會(huì)用到醫(yī)用攝像機(jī)拍攝，實(shí)時(shí)展示在外科手術(shù)監(jiān)視器上，方便醫(yī)生操作。

可見光熒光標(biāo)記下的癌組織（圖片來源：《自然》雜志）

熒光蛋白的標(biāo)記有可見光的，也有近紅外光的，這是兩種不同波長的光。不同的熒光可以標(biāo)記不同的組織。生物體的一些部分對可見光有較好的吸收和散射，而另外一些部分則對非可見光有比較好的吸收和散射，包括近紅外光。

癌組織所在的位置不同，所用的標(biāo)記方式也不一樣。但有時(shí)候情況比較復(fù)雜，同時(shí)需要兩種熒光標(biāo)記。

這時(shí)候，傳統(tǒng)的攝像器材就不行了，因?yàn)橐话愕臄z影器材要么可以拍下可見光，要么可以拍下紅外光。攝影器材的“感光細(xì)胞”，也就是它的傳感器局限了它的感光范圍。

要說明的是，傳統(tǒng)攝影器材并不是沒有可以處理可見光和近紅外光的傳感器。早在2017年，某攝影器材廠商就開發(fā)了全球首款可以捕捉可見光和近紅外光的CMOS傳感器。

一款可以拍攝可見光和近紅外光的傳感器（圖片來源：tokiox）

但，你想要同時(shí)在監(jiān)視器上同時(shí)看到近紅外光和可見光，靠這枚傳感器還是不行。因?yàn)樗荒茉趦煞N模式下相互切換，要么看到可見光模式，要么看到近紅外光模式。

可以切換兩種模式，在可見光和近紅外光下看同一物體（圖片來源：tokiox）

而我們的主角，螳螂蝦的出現(xiàn)，給了科學(xué)家靈感。為外科醫(yī)生同時(shí)看到可見光和近紅外光提供了可能性。

研究作者（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

Steven Blair是 Viktor Gruev實(shí)驗(yàn)室的研究生，他開發(fā)了一種和螳螂蝦一樣的，有3層感光材料的傳感器。一共可以感知6種顏色的光波，紅綠藍(lán)和3種近紅外光。

當(dāng)然重點(diǎn)是，這顆傳感器在頂層放置了兩種濾光材料，就和螳螂蝦一樣，可以同時(shí)獨(dú)立平行處理6種顏色光。

這樣一來，外科醫(yī)生就可以用一臺(tái)攝像機(jī)在同一畫面下觀察到可見光標(biāo)記和近紅外光標(biāo)記的癌組織，一下就方便了很多。

研究人員在一次乳腺癌腫瘤切除手術(shù)中測試了他們的仿生成像儀（紅色標(biāo)記）

（圖片來源：Courtesy: S. Blair et al Science Translational Medicine 2021）

大自然給我們的科技進(jìn)步帶來了無限的靈感，從仿蜂鳥的高鐵的火車頭，到運(yùn)動(dòng)員的鯊魚皮泳衣，再到仿海豚的聲納系統(tǒng)，這樣的例子數(shù)都數(shù)不完，而仿螳螂蝦復(fù)雜的眼睛的成像系統(tǒng)只是其中之一。

有人曾經(jīng)好奇，研究那些野生動(dòng)物有什么用，跟我們?nèi)祟愐稽c(diǎn)關(guān)系都沒有，還浪費(fèi)經(jīng)費(fèi)。

我想現(xiàn)在你應(yīng)該明白了，大自然永遠(yuǎn)都是我們最好的老師。

參考文獻(xiàn)：

1. Blair S, Garcia M, Davis T, et al. Hexachromatic bioinspired camera for image-guided cancer surgery[J]. Science Translational Medicine, 2021, 13(592).

2. 張旭, 金偉其, 裘溯. 螳螂蝦視覺成像的特點(diǎn)及其仿生技術(shù)研究綜述[J]. 紅外技術(shù), 2016, 38(2): 89-95.

3. https://www.camgle.com/news/zixun/20170213/6666.html

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