Genom att härma ögat på mantis räkor, Illinois-forskare har utvecklat en ultrakänslig kamera som kan känna av både färg och polarisering. Den bioinspirerade avbildaren kan potentiellt förbättra tidig cancerdetektering och hjälpa till att ge en ny förståelse för undervattensfenomen, sa forskarna.

"Djurriket är fullt av varelser med mycket mer känsliga och sofistikerade ögon än våra egna, "sa Viktor Gruev, en professor i el- och datateknik vid Illinois University och medförfattare till den nya studien. "Dessa djur uppfattar naturfenomen som är osynliga för människor.

"Polarisering av ljus - det vill säga ljusets svängningsriktning när den sprider sig i rymden - är ett sådant exempel. Medan de flesta av oss är bekanta med polariserade solglasögon, som helt enkelt tar bort bländning, många djur använder polariserad syn som en hemlig kommunikationskanal, att hitta mat, eller till och med att navigera genom att känna av polarisationsmönster på himlen. "

Mantis räkor, anses vara en av de bästa jägarna på grunt vatten, har ett av de mest sofistikerade ögonen i naturen. Jämfört med människosyn, som har tre olika typer av färgreceptorer, mantisräkan har 16 olika typer av färgreceptorer och sex polarisationskanaler, Sa Gruev.

"Dessa organ överträffar inte bara känsligheten hos våra egna visuella system, de fångar också mer visuell information, använder mindre kraft och utrymme, än dagens mest sofistikerade, toppmoderna kameror, " han sa.

Gruev och doktoranden Missael Garcia ledde ett försök att replikera räks visuella system med hjälp av några grundläggande fysiska begrepp.

De rapporterar sina fynd i tidningen Optica .

"Naturen har utformat material så att olika ljusfärger tränger in på olika djup, "sa Gruev, som också leder Biosensors Lab i Illinois. "Om vi ​​lyser en blå laser och en röd laser på fingertoppen, vi kan bara observera det röda ljuset på andra sidan fingret. Detta beror på att det röda ljuset kan tränga djupare in i vävnaden. "

"Naturen har konstruerat mantis -räkorögat på ett sådant sätt att ljuskänsliga element staplas vertikalt ovanpå varandra, "Sade Gruev. Denna stapling möjliggör absorption av kortare våglängder, som blått ljus, i de grunda fotoreceptorerna och rött ljus i de djupare receptorerna. Fotoreceptorerna är organiserade "på ett periodiskt sätt i nanoskala som gör att de också kan" se "ljusets polariserade egenskaper, " han sa.

"Samma fysikaliska lagar som gäller för mantisens visuella system gäller också kiselmaterial, materialet som används för att bygga våra digitalkameror "sa Garcia." Genom att stapla flera fotodioder ovanpå varandra i kisel, vi kan se färg utan att använda speciella filter. Och genom att kombinera denna teknik med metalliska nanotrådar, Vi har faktiskt replikerat den del av det mantis räkor visuella systemet som gör det möjligt att känna både färg och polarisering. "

Denna unika kombination av kiselfotodetektorer och nanomaterial gjorde det möjligt för Illinois forskargrupp att skapa en pek-och-skjut färgpolariseringskamera. Applikationerna för sådana kameror är omfattande, från tidig cancerdetektion till övervakning av förändringar i miljön till avkodning av de dolda kommunikationskanaler som många undervattensvarelser verkar utnyttja, sa forskarna.

I en tidigare publicerad studie av Gruev, en bioinspirerad polarisationssensor som är monterad på ett koloskop kan upptäcka cancerceller i den mänskliga tjocktarmen.

"Genom att efterlikna mantis räkor visuellt system, vi har skapat en unik kamera som kan användas för att förbättra livskvaliteten, "Gruev sa." Tanken att vi kan upptäcka tidig cancerbildning är det som driver denna forskning framåt. Kostnaden för denna teknik är mindre än $ 100, vilket möjliggör kvalitetshälsovård på resursbegränsade platser runt om i världen. "