仿生螳螂蝦(三):新型癌症檢測設備和視覺偵測系統

 
2017/08/21 歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組     204
 

英國、澳洲及美國的跨國團隊研究能看到環境中各種物體偏振光的史氏指蝦蛄(Gonodactylus smithii)和雀尾螳螂蝦(Odontodactylus scyllarus),未來可模仿牠們滾動眼睛視角可改善物體的偏振對比、並測知其動態偏振視覺最佳角度的原理,除可開發眩光少、色彩不失真扭曲的影像處理器、相機、顯微鏡等外,在醫學應用方面,因癌細胞組織會反射出與周邊健康細胞組織不同的偏振光,可依此研發新型癌症檢測設備或偏振相機等;水下光學成像技術和儀器更能廣泛應用於水下目標探測,解決現有偵測影像設備作用距離較短、品質較差的問題,並發明低功耗及高性能視覺偵測系統等。研究成果由布里斯托大學(University of Bristol)羅伯茲(Nicholas W. Roberts)教授與西澳大學(University of Western Australia)、昆士蘭大學(University of Queensland)、馬里蘭大學(University of Maryland)的研究團隊成員聯合於2016年7月在《自然通訊》(Nature Communications)期刊發表。

 
 

史氏指蝦蛄體長最大達11公分,體色為亮綠色到墨綠色,屬於指蝦蛄科(Gonodactylidae);雀尾螳螂蝦體長約10-17公分,體色多彩鮮艷,以綠色為主,屬於齒指蝦蛄科(Odontodactylidae)。兩種均為粉碎型蝦蛄,屬於軟甲綱(Malacostraca)口足目(Stomatopoda),具有一對強韌快速的攻擊性掠螯外,還有一雙功能強大的特殊眼睛,為並列型複眼,能看到從紫外線到紅外線的各種光線,每隻眼睛有三重視覺成像,兩隻眼睛共有六重視覺影像,能獨立分開滾動,有效增強看到物體偏振光的能力、提高觀察力,可隨環境變化調節適應的複雜視覺系統,靈活的俯仰、偏轉、和扭轉眼睛以觀察環境。

 
 

研究團隊發現螳螂蝦為了迅速感知顏色、節省腦力,因此犧牲更準確辨別顏色的功能,以便在五顏六色的環境中更快發現同類、天敵或獵物,以利生存。牠們的眼睛含有16種不同類型感光器,其中12種為探測顏色之用,3種和9種分別負責偵測紫外光和可見光,能看到12種原色(人類和許多動物只能看到紅、藍和綠3種原色),但能分辨的顏色卻遠少於人類,係因感光細胞功能相互獨立、平行處理各波段的光線資訊,辨識的顏色重點在色差對比,能分辨黃色和橙色兩種單色,卻會忽略黃橙間的中間色,色彩資訊由眼睛決定後直接傳給大腦,不似人類由大腦彙整判讀顏色。

 

螳螂蝦的每個複眼則由「線性中間帶」區分成「背部周圍區」及「腹部周圍區」兩個半球、三個區域。線性中間帶由水平方向的6排感光器「小眼」組成,小眼的構造由外往內則依序為「角膜」、「晶椎體」和「視桿束」(8個網狀細胞組成),用以感知從紫外線到紅外線等顏色,及探測線偏振光和圓偏振光等16種不同波段和類型的光線;視桿束又可細分為「R1-7感受器」及「R8感受器」(功能為集結大部分感光能力、對紫外線敏感、且作為四分之一波片),最內層是內接視神經的基底膜。「網狀細胞」內有交叉突起,在主要視桿束中形成堆疊層、對偏振光敏感的「微絨毛」,滾動眼睛時會直接改變感光器微絨毛群的方向,得到最佳偏振對比。「偏振」係指波動朝特定方向振盪的性質,光波會因偏振方向不同而改變傳播狀況;「線偏振光」指振盪只朝單獨方向前進,「圓偏振光」指振盪方向旋轉,並隨時間勾繪出圓形的螺旋形前進。

 

牠們會分別針對非偏振的底棲生物和偏振的開放水域進行觀察,感測特定視覺信號的偏振,因為海域通常屬於低照度、強散射、渾濁的水下環境,光受到太陽在空中位置和水的透明度影響,線性偏振在10-50%,底棲生物則反射小於5%的偏振。故當光從海洋或魚鱗反射時,偏振光會像眩光一樣出現,螳螂蝦眼睛裡的感光器立即依光波角度調整眼睛角度,讓潛在獵物的偏振光看起來更清晰形成動態偏振視覺,以準確捕獲獵物或躲避天敵。

 

螳螂蝦並非簡單地將微絨毛與光刺激的偏振角度對準,而是與其預測最大偏振距離的扭轉角度對齊,牠們的眼睛背部和腹部周圍區半球都具有交叉或正交投射的微絨毛分層,兩個半球中共有四組微絨毛,形成感知偏振光的感光通道,通道方向在兩個半球區完全不同,每一半眼睛的微絨毛排列方向偏移45度,故眼睛與具特定偏振角度的一組微絨毛對準,最大角度不會超過22.5度;若超過則必須轉動0-22.5度,使四組微絨毛中的任一組對特定光刺激進行對準排列,以提高視覺準確度。研究團隊因此得知偏振距離可透過眼睛感光器的扭轉、旋轉和與光刺激偏振角的物理對準,達到感測的最佳化效果。將來根據螳螂蝦的動態偏振視覺原理調整偵測角度,開創新型癌症檢測設備和視覺偵測系統等,具有很大的技術發展空間和廣闊的應用前景。

 
 

(以上新聞編譯自2016年7月12日發行之Nature Communications期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
 
  • 來源:
     
    • Daly, I. M, M. J. How, J. C. Partridge, S. E. Temple, N. J. Marshall, T. W. Cronin, and N. W. Roberts. 2016. Dynamic polarization vision in mantis shrimps. Nature Communications, 7: 12140-1-9.
    • Bok, M. J., M. L. Porter, A. R. Place, and T. W. Cronin. 2014. Biological sunscreens tune polychromatic ultraviolet vision in mantis shrimp. Current Biology, 24(14): 1636-1642.
    • Mantis shrimp. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Mantis_shrimp (Visit date: 2017/06/03).
    • University of Bristol. 2016. Mantis shrimp roll their eyes to improve their vision. ScienceDaily, July 12, 2016.
     
  •  
  • 標籤