kwartalnik "Edukacja Biologiczna i Środowiskowa"

ISSN 1643-8779



Kamera skradziona naturze inspirowana oczami mrówek złodziejek

W maju bieżącego roku w prestiżowym czasopiśmie Nature pojawił się krótki artykuł dotyczący prac nad prototypowymi kamerami działającymi jak oko złożone owadów, inspirowanymi m.in. oczami mrówek złodziejek (Solenopsis fugax) [1].

Dwa najbardziej typowe rozwiązania w budowie oczu, jakie spotyka się w przyrodzie, to oko typu kamera, jak na przykład oko człowieka, oraz oko złożone, które występuje u owadów, wijów i niektórych skorupiaków [2]. W przypadku oka typu kamera w oku występuje pojedyncza soczewka, która służy do ogniskowania obrazu na błonie światłoczułej wewnątrz oka (siatkówce). To oczywiście opis najprostszej wersji kamery. Istnieją znacznie bardziej zaawansowane jej wersje.

Przykładowo niektóre ptaki są w stanie zmieniać grubość soczewki oraz kształt rogówki w oku w sposób aktywny dzięki specjalnym mięśniom. Oczy złożone zbudowane są z pojedynczych omatidiów zaopatrzonych w stożek krystaliczny, który pełni funkcję pojedynczej soczewki. Światło wpada do każdego omatidium przez rogówkę, załamuje się na stożku krystalicznym, a następnie trafia do aparatu odbioru informacji świetlnej (fotoreceptorowego). Liczba omatidiów waha się od kilkunastu, jak na przykład 11–13 w przypadku robotnicy mrówki Phoenogaster patruelis [3], do nawet 50 tysięcy w przypadku ważki [4].

 

Ryc. 1. Z lewej: oko złożone ważki [5], z prawej: omatidia oka złożonego eufauzji (Euphausia superba), gatunku skorupiaka powszechnie określanego jako kryl [6].

 

System zobrazowania w przypadku oka złożonego pozwala na obserwację szerokokątową (do 360°) przy niskich zniekształceniach obrazu, znacznej głębi ostrości i wrażliwości na ruch [7]. Rozdzielczość oczu stawonogów zależy od liczby budujących je omatidiów i zazwyczaj jest dobra w porównaniu z oczami ssaków [1]. Ze względu na wymienione zalety oko złożone stało się inspiracją dla multidyscyplinarnego zespołu naukowców z całego świata przy budowie nowego typu kamery. Urządzenie to zbudowane jest z układu 180 krzemowych fotodetektorów (sztucznych omatidiów) umieszczonych na półkulistej, elastycznej membranie wykonanej z poli(dimetylosiloksanu), PDMS. Badania in silico potwierdziły, że kamera opracowana przez naukowców, pokazana na ryc. 2, nie tylko w budowie, ale również w swoim działaniu przypomina oko złożone.

 

Ryc. 2. Z lewej – gotowa kamera z elektronicznym układem sterującym, po środku i z prawej – układ 180 sztucznych omatidiów wygiętych w półsferę [8].

 

Otrzymany prototyp kamery pozwoli na rejestrację szerokokątową obrazów bez aberracji kątowych. Takiego zobrazowania nie udało się dotychczas otrzymać stosując płaskie detektory obrazu nawet przy wykorzystaniu zaawansowanej optyki, na przykład zwierciadeł sferycznych, czy soczewek typu rybie oko. Dodatkową, ogromną zaletą nowych kamer będzie, jak podają autorzy artykułu, ich nieskończona głębia ostrości. Oznacza to, że jeżeli jakiś obiekt oddala się od kamery, to jego wielkość zmniejsza się w sposób ciągły, ale przez cały czas jego obraz pozostaje ostry. Potencjalne zastosowania tych prototypowych kamer to urządzenia monitoringowe, narzędzia do endoskopii w chirurgii oraz drony.

 

Literatura

[1]    Young Min Song, Yizhu Xie, Viktor Malyarchuk, Jianliang Xiao, Inhwa Jung, Ki-Joong Choi, Zhuangjian Liu, Hyunsung Park, Chaofeng Lu, Rak-Hwan Kim, Rui Li, Kenneth B. Crozier, Yonggang Huang, John A. Rogers, (2013) Nature, Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye, Vol 497, 7447, 95-99

[2]    Marta Polańska, Joanna Kotwica-Rolińska, Wije i owady, materiały do ćwiczeń dla studentów w ramach przedmiotu zoologia, http://www.biol.uw.edu.pl/ewolucja/zoologia/cwiczenie_6.pdf

[3]    William Morton Wheeler, The Mountain Ants of Western North America, Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences , Vol. 52, No. 8 (Jan., 1917), pp. 457-569

[4]    David Whiting, Insect Anatomy and Growth, Colorado Master Gardenersm Program, Colorado State University, 312 (1) – 312 (9), http://www.ext.colostate.edu/mg/Gardennotes/312.pdf

[5]    URL: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9a/Dragonfly_eye_3811.jpg

[6]    URL: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/26/Antarctic_krill_ommatidia.jpg/618px-Antarctic_krill_ommatidia.jpg

[7]    Dario Floreano, Jean-Christophe Zufferey, Mandyam V. Srinivasan, Charlie Ellington, Flying Insects and Robots, Rozdział 10 (Springer Berlin Heidelberg, 2009)

[8]    http://www.wired.com/wiredscience/2013/05/bugs-eye-camera/?pid=6794 

 

Marcin Chrzanowski

Tekst pochodzi z EBiŚ 4/2013