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作者：Yun
导言：近日，美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员基于螳螂虾的眼睛设计了一种新型仿生成像系统，该系统为图像引导的肿瘤切除手术提供一个灵活的工具。
据报道，自然界存在许多奇特的物种，有时它们的特征兼具两种动物的特征，因而拥有“双重身份”。其中包括：螳螂虾，它兼具螳螂和虾的特征，事实上却是一种口足目动物。而皮皮虾是螳螂虾的一种，其形态与虾相近，但又拥有螳螂的“双刀”。
它既是螳螂又是虾？事实上，螳螂虾既不是螳螂也不是虾，它是鲜为人知的口足目动物，这种海洋生物与龙虾和虾有亲源关系，它们的爪子用于刺击猎物。螳螂虾的一个显著特征是长着一对茎状眼睛，科学家认为这是动物王国中最复杂的目镜传感器。
近日，美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员《Science Translational Medicine》期刊上发表了题为“Hexachromatic bioinspired camera for image-guided cancer surgery”的研究。
这项研究基于螳螂虾的眼睛设计了一种新型仿生成像系统，该系统可以同时检测多个近红外荧光信号。能够帮助医生在手术时看到肿瘤在病人体内的确切位置，为图像引导的肿瘤切除手术提供一个灵活的工具。
早在2017年，来自美国圣路易斯华盛顿大学，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，以及英国剑桥大学动物学系的科学家组成的研究小组，他们提出了一个想法：“如果模拟螳螂虾的视觉能力设计一个成像系统，将会怎样？”
该团队开发的单芯片成像系统由垂直堆叠的硅基光电探测器构成，这种光电探测器利用了纳米线偏振滤波器进行单片集成。利用这些组件，紧凑型成像仪能够以低功耗实时准确地生成高分辨率的色彩与偏振数据。
人们预计，受螳螂虾启发的成像系统可以为许多潜在应用生成彩色偏振图像。一个应用示例是加强对生活在自然栖息地的海洋生物的了解。此外，由于成像系统坚固而紧凑，还可用于水下摄像机，帮助研究人员监测水下环境的变化和研究海洋物种，一些科学家还将偏振成像应用于隐蔽通信。
这项研究的最初动力是挖掘新型成像系统在早期癌症诊断方面的应用潜力。研究人员发现，该设备可以有效地测量可见光谱中的偏振信号，而且误差较小。成像系统的精确度和出色的偏振灵敏性有助于检测癌症征兆，因为它能够识别生物组织中细微的偏振状态变化。不仅如此，该技术的制造成本和功率需求很低，所以更容易在全球范围内实现医疗用途。
如今，在这项新的研究中，研究团队更详细地介绍了这种新型摄像机如何与肿瘤靶向药物一起工作，并应用于观察动物和人类患者的癌症。
这项新研究的通讯作者 Viktor Gruev 教授表示：“动物王国里充满了比我们的眼睛更敏感、更复杂的生物，这些动物能感知人类看不见的自然现象。”
螳螂虾可不只有力量名声在外。为了更好地定位猎物和捕食者，它们也进化出了卓越的视觉能力。它们的眼睛中有多达 16 种颜色感受器（多数人类只有 3 种）。除此之外，它们的眼睛可以独立移动，还有 6 个可以捕捉光线极化的通道，不愧为大自然中最复杂的眼睛系统。与现代相机相比，螳螂虾的高灵敏度视觉系统可以捕获更多高质量信息，而不会消耗太多能量，占用额外空间。
基于此，研究团队集成了先进的半导体设备和专门的光学滤波器，并成功将螳螂虾的视觉系统复制到单个成像设备上，由此发明了一种新型仿生成像系统。
这项技术不仅可以捕获医生通常会看到的三种可见光，还可以收集医生可能会错过的三种不可见的近红外光。然后将其与多个针对肿瘤的探针相结合——这些探针聚集在癌变组织中并发出近红外光，从而帮助医生看到肿瘤在病人体内的确切位置。
更重要的是，这种仿生成像系统的制造成本很低，操作也相对简单，因此在世界各地的医院都可以推广使用。研究团队的下一步工作是将他们的仿生学相机与内窥镜系统相结合，以满足资源有限的医院的微创手术需求。
每一个自然生命都有它的神奇之处，一直以来，大自然界的动物给予了科学家们很多灵感，期待更多有神奇发现被利用并造福人类。
参考资料：
【1】https://stm.sciencemag.org/content/13/592/eaaw7067
【2】https://phys.org/news/2017-10-mantis-shrimp-inspired-camera-enables-glimpse.html
注：本文旨在介绍医学研究进展，不能作为治疗方案参考。如需获得健康指导，请至正规医院就诊。
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