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出品：科普中國

製作：蘇澄宇

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

這是一隻螳螂蝦：

圖片來源：Wikimedia

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

具體(ti) 有多快，快到彷佛一根壓縮後被釋放的彈簧，隻需要1-2毫秒時間就可以完成出拳，這個(ge) 速度下，神經反饋都不足以改變已彈射的拳頭。

慢動作下的螳螂蝦出拳，擊破螳螂蝦的殼分分鍾的事（圖片來源：isolophobia）

不過今天我們(men) 的主題並不是關(guan) 於(yu) 它的拳頭，而是它的那雙可以救人的眼睛。

螳螂蝦眼睛怎麽(me) 救人的，聽著有點離譜？

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，還有著有地球上最複雜的視覺係統。它和其他昆蟲一樣，用的是複眼。

它的複眼有3層感光細胞，每層細胞對不同波長的光作出反應。螳螂蝦一共有16種不同類型的光感受器，能同時接收處理不同波長的光線。注意，是同時。

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

（圖片來源：參考文獻2）

其中3種光感受用來探測紫外光，9種用來探測可見光，其餘(yu) 的用來感受紅外光。

相比之下，人類的隻有3種顏色的光感受器，紅、綠、藍，因此人類的可見光範圍和螳螂蝦相比，小得不是一星半點。

這些感光細胞可以相互獨立平行地處理信息，感光細胞輸出不通過神經比較，色彩信息直接從(cong) 視網膜傳(chuan) 到大腦。

這意味著大腦可以同時看到可見光和紫外光以及紅外光。

在癌組織切除手術中，有時需要用到熒光蛋白來標記癌細胞，讓癌組織切除變得更加方便，這時候會(hui) 用到醫用攝像機拍攝，實時展示在外科手術監視器上，方便醫生操作。

可見光熒光標記下的癌組織（圖片來源：《自然》雜誌）

熒光蛋白的標記有可見光的，也有近紅外光的，這是兩(liang) 種不同波長的光。不同的熒光可以標記不同的組織。生物體(ti) 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，所用的標記方式也不一樣。但有時候情況比較複雜，同時需要兩(liang) 種熒光標記。

這時候，傳(chuan) 統的攝像器材就不行了，因為(wei) 一般的攝影器材要麽(me) 可以拍下可見光，要麽(me) 可以拍下紅外光。攝影器材的“感光細胞”，也就是它的傳(chuan) 感器局限了它的感光範圍。

要說明的是，傳(chuan) 統攝影器材並不是沒有可以處理可見光和近紅外光的傳(chuan) 感器。早在2017年，某攝影器材廠商就開發了全球首款可以捕捉可見光和近紅外光的CMOS傳(chuan) 感器。

一款可以拍攝可見光和近紅外光的傳(chuan) 感器（圖片來源：tokiox）

但，你想要同時在監視器上同時看到近紅外光和可見光，靠這枚傳(chuan) 感器還是不行。因為(wei) 它隻能在兩(liang) 種模式下相互切換，要麽(me) 看到可見光模式，要麽(me) 看到近紅外光模式。

可以切換兩(liang) 種模式，在可見光和近紅外光下看同一物體(ti) （圖片來源：tokiox）

而我們(men) 的主角，螳螂蝦的出現，給了科學家靈感。為(wei) 外科醫生同時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1）

Steven Blair是 Viktor Gruev實驗室的研究生，他開發了一種和螳螂蝦一樣的，有3層感光材料的傳(chuan) 感器。一共可以感知6種顏色的光波，紅綠藍和3種近紅外光。

當然重點是，這顆傳(chuan) 感器在頂層放置了兩(liang) 種濾光材料，就和螳螂蝦一樣，可以同時獨立平行處理6種顏色光。

這樣一來，外科醫生就可以用一台攝像機在同一畫麵下觀察到可見光標記和近紅外光標記的癌組織，一下就方便了很多。

研究人員在一次乳腺癌腫瘤切除手術中測試了他們(men) 的仿生成像儀(yi) （紅色標記）

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

大自然給我們(men) 的科技進步帶來了無限的靈感，從(cong) 仿蜂鳥的高鐵的火車頭，到運動員的鯊魚皮泳衣，再到仿海豚的聲納係統，這樣的例子數都數不完，而仿螳螂蝦複雜的眼睛的成像係統隻是其中之一。

有人曾經好奇，研究那些野生動物有什麽(me) 用，跟我們(men) 人類一點關(guan) 係都沒有，還浪費經費。

我想現在你應該明白了，大自然永遠都是我們(men) 最好的老師。

參考文獻：

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(wei) 其, 裘溯. 螳螂蝦視覺成像的特點及其仿生技術研究綜述[J]. 紅外技術, 2016, 38(2): 89-95.

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

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