螳螂虾 本期Nature Photonics封面图片

英国布里斯托尔大学的研究人员称，螳螂虾的视觉系统可能成为下一代DVD和CD播放器的仿生研究对象，为新设计带来启发。相关论文发表最新出版的《自然·光学》杂志上。

据介绍，这种海生甲壳纲动物有着非同寻常的视力，具有现今人们已知动物中最复杂的视觉系统。它能够分辨出12种颜色和多种形式的偏振光。相比之下，人类只能分辨出其中3种。

研究人员称，螳螂虾眼睛中具有特殊的光感细胞，其作用类似于光学试验中的1/4波片（波片：指能使互相垂直的两光振动间产生附加光程差的光学器件，通常由具有精确厚度的石英、方解石或云母制成），当光波通过该细胞时就会发生偏振现象。这一功能使螳螂虾的眼睛能将线偏振光和圆偏振光相互转换。人造1/4波片在DVD和CD等播放器以及数码相机和摄像机中所起的作用也是如此。两者不同之处在于，这些人造设备只对一种波长的光敏感，而螳螂虾的眼睛则几乎完美支持从近紫外到红外之间的整个可见光光谱。

负责该项研究的英国布里斯托尔大学尼古拉斯·罗伯茨博士说，该研究第一次从1/4波片结构的角度对螳螂虾的眼睛进行了描述，并称这种自然结构的性能超越了人类至今所创造的一切光学结构。

至于螳螂虾的眼睛为何对圆偏振光如此敏感，科学家们表示尚不清楚。据了解，偏振光视觉在动物中一般用于秘密沟通或收发性信号，以避免引起其它动物尤其是天敌的注意。在黑暗之中或者浑浊的水下，这种能力还有助于寻找和捕捉猎物。

“最让人兴奋的是它的结构竟然如此简单。”罗伯茨博士说，“这种由细胞膜构成的自然结构远非人类合成结构所能媲美。在未来，或许我们就能通过液体结晶和化学工程学方法模仿螳螂虾的眼睛，制造出更强大易用的光学设备。”

在光学结构设计制造中，螳螂虾并不是第一个仿生对象。就在不久前，有科学家受到龙虾复眼结构的启发，为天文望远镜设计了一种新型X射线探测器。

原始出处：

Nature Photonics 3, 641 - 644 (2009) 25 October 2009 | doi:10.1038/nphoton.2009.189

A biological quarter-wave retarder with excellent achromaticity in the visible wavelength region

N. W. Roberts1,2, T.-H. Chiou3, N. J. Marshall3 & T. W. Cronin4

Animals make use of a wealth of optical physics to control and manipulate light, for example, in creating reflective animal colouration1, 2, 3 and polarized light signals4. Their precise optics often surpass equivalent man-made optical devices in both sophistication and efficiency5. Here, we report a biophysical mechanism that creates a natural full-visible-range achromatic quarter-wave retarder in the eye of a stomatopod crustacean. Analogous, man-made retardation devices are important optical components, used in both scientific research and commercial applications for controlling polarized light. Typical synthetic retarders are not achromatic, and more elaborate designs, such as, multilayer subwavelength gratings or bicrystalline constructions, only achieve partial wavelength independence6. In this work, we use both experimental measurements and theoretical modelling of the photoreceptor structure to illustrate how a novel interplay of intrinsic and form birefringence results in a natural achromatic optic that significantly outperforms current man-made optical devices.

1.Photon Science Institute, School of Physics and Astronomy, University of Manchester, Manchester M13 9PL, UK
2.School of Biological Sciences, University of Bristol, Woodland Road, Bristol BS8 1UG, UK
3.Sensory Neurobiology Group, School of Biomedical Sciences and Queensland Brain Institute, The University of Queensland, Brisbane, Queensland 4072, Australia
4.Department of Biological Sciences, University of Maryland Baltimore County, 1000 Hilltop Circle, Baltimore, Maryland 21250, USA