Door het oog van de bidsprinkhaangarnaal na te bootsen, Onderzoekers uit Illinois hebben een ultragevoelige camera ontwikkeld die zowel kleur als polarisatie kan detecteren. De bio-geïnspireerde imager kan de vroege detectie van kanker mogelijk verbeteren en een nieuw begrip van onderwaterfenomenen helpen bieden, aldus de onderzoekers.

"Het dierenrijk zit vol met wezens met veel gevoeligere en verfijndere ogen dan de onze, " zei Viktor Gruev, een professor in elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Illinois en co-auteur van de nieuwe studie. "Deze dieren nemen natuurlijke fenomenen waar die onzichtbaar zijn voor mensen.

"Polarisatie van licht - dat wil zeggen, de richting van de oscillatie van licht terwijl het zich voortplant in de ruimte - is zo'n voorbeeld. Hoewel de meesten van ons bekend zijn met gepolariseerde zonnebrillen, die eenvoudig schittering wegnemen, veel dieren gebruiken gepolariseerd zicht als een verborgen communicatiekanaal, voedsel vinden, of zelfs om te navigeren door polarisatiepatronen in de lucht waar te nemen."

De bidsprinkhaangarnaal, beschouwd als een van de beste jagers in ondiepe wateren, bezit een van de meest verfijnde ogen in de natuur. Vergeleken met de menselijke visie, die drie verschillende soorten kleurreceptoren heeft, de bidsprinkhaangarnaal heeft 16 verschillende soorten kleurreceptoren en zes polarisatiekanalen, zei Gruev.

"Deze organen overtreffen niet alleen de gevoeligheid van onze eigen visuele systemen, ze leggen ook meer visuele informatie vast, met minder stroom en ruimte, dan de meest geavanceerde van vandaag, ultramoderne camera's, " hij zei.

Gruev en afgestudeerde student Missael Garcia leidden een poging om het visuele systeem van de garnaal te repliceren met behulp van enkele fysieke basisconcepten.

Ze rapporteren hun bevindingen in het tijdschrift optiek .

"De natuur heeft materialen zo ontworpen dat verschillende kleuren licht op verschillende diepten doordringen, " zei Gruev, die ook het Biosensors Lab in Illinois leidt. "Als we een blauwe laser en een rode laser op het topje van onze vinger schijnen, we kunnen alleen het rode licht aan de andere kant van de vinger waarnemen. Dit komt omdat het rode licht dieper in het weefsel kan doordringen."

"De natuur heeft het oog van de bidsprinkhaangarnalen zo geconstrueerd dat lichtgevoelige elementen verticaal op elkaar worden gestapeld, " zei Gruev. Deze stapeling zorgt voor absorptie van kortere golflengten, zoals blauw licht, in de ondiepe fotoreceptoren en rood licht in de diepere receptoren. De fotoreceptoren zijn "op een periodieke manier op nanoschaal georganiseerd waardoor ze ook de gepolariseerde eigenschappen van licht kunnen 'zien', " hij zei.

"Dezelfde natuurwetten die van toepassing zijn op het visuele systeem van de bidsprinkhaan, zijn ook van toepassing op siliciummaterialen, het materiaal dat wordt gebruikt om onze digitale camera's te bouwen", zei Garcia. "Door meerdere fotodiodes op elkaar te stapelen in silicium, we kunnen kleur zien zonder het gebruik van speciale filters. En door deze technologie te combineren met metalen nanodraden, we hebben effectief het deel van het visuele systeem van de bidsprinkhaangarnalen gerepliceerd waarmee het zowel kleur als polarisatie kan waarnemen."

Deze unieke combinatie van siliciumfotodetectoren en nanomaterialen stelde het onderzoeksteam van Illinois in staat om een ​​point-and-shoot kleurenpolarisatiecamera te maken. De toepassingen voor dergelijke camera's zijn breed, van vroege kankerdetectie tot het volgen van veranderingen in de omgeving tot het decoderen van de geheime communicatiekanalen die veel onderwaterwezens lijken te exploiteren, aldus de onderzoekers.

In een eerder gepubliceerde studie van Gruev, een bio-geïnspireerde polarisatiesensor die op een colonoscoop is gemonteerd, zou de ongeordende aard van kankercellen in de menselijke dikke darm kunnen detecteren.

"Door het visuele systeem van de bidsprinkhaangarnalen na te bootsen, we hebben een unieke camera gemaakt die kan worden gebruikt om de kwaliteit van ons leven te verbeteren, " Gruev zei. "Het idee dat we vroege vorming van kanker kunnen detecteren, is wat dit onderzoek naar voren drijft. De kosten van deze technologie zijn minder dan $ 100, die hoogwaardige gezondheidszorg mogelijk zal maken op plaatsen met beperkte middelen over de hele wereld."