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Olhos de camarão louva-a-deus inspiram novos sensores ópticos

Mais Zoom / Os cientistas desenvolveram um novo tipo de sensor de luz inspirado nos olhos do camarão mantis.

As câmeras dos smartphones melhoraram muito desde então O primeiro celular com câmera Foi introduzido em 1999, mas ainda está sujeito a pequenos erros no alinhamento de diferentes comprimentos de onda de luz na imagem final. Isso não é uma preocupação para suas selfies do Instagram, mas está longe de ser ideal quando se trata de análise de fotos científicas, por exemplo.

A natureza parece ter fornecido uma solução aos olhos camarão mantis, Que inspirou pesquisadores da North Carolina State University (NCSU) a desenvolver um novo tipo de sensor óptico. O sensor é pequeno o suficiente para aplicativos de smartphones, mas também é capaz de dividir os comprimentos de onda da luz visível em faixas mais estreitas do que as câmeras de smartphones atuais conseguem, além de capturar luz polarizada, de acordo com Um artigo recente Publicado em Science Advances.

Os olhos humanos têm três fotorreceptores para detectar a luz vermelha, verde e azul. Os cães têm apenas dois fotorreceptores (verde e azul), enquanto as aves têm quatro fotorreceptores, incluindo um que detecta os raios ultravioleta (UV). Enquanto isso, os polvos são capazes de detectar luz polarizada. Mas os camarões louva-a-deus (também conhecidos como estomatópodes) têm os olhos mais complexos de todos os tempos: eles podem ter entre 12 e 16 fotorreceptores individuais e, portanto, podem detectar a luz visível, ultravioleta e polarizada.

O camarão-louva-deus tem três “pseudo-pupilas” empilhadas umas sobre as outras. Existem dezenas de milhares de grupos de células fotorreceptoras chamadas OmmatidiaOs olhos são como moscas. Seis fileiras de omatídios no meio do olho, conhecidas como banda média, cada uma capaz de detectar comprimentos de onda específicos de luz ou luz polarizada. As primeiras quatro fileiras são para os primeiros, incluindo os raios ultravioleta, enquanto as duas últimas fileiras são forradas com minúsculos pêlos que dão o poder de detectar os últimos.

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Cada olho composto pode se mover independentemente e, portanto, também possui percepção de profundidade independente, já que aproximadamente 70 por cento de cada olho está focado no mesmo ponto no espaço. Por causa disso, os olhos agem um pouco como escanear uma foto; Os camarões louva-a-deus movem constantemente seus olhos para examinar seu ambiente, identificar uma gama de cores, mover uma fileira de umatidia e repetir a varredura.

Essas características inspiraram os pesquisadores da NCSU a construir seu novo design de sensor de luz orgânica na estrutura dos olhos do camarão mantis. O sensor multiespectral de polarização e polarização (SIMPOL), inspirado no Stomatopod, possui elementos (seis fotocélulas orgânicas sensíveis à polarização e quatro membranas poliméricas retardantes), empilhados verticalmente ao longo de um único eixo óptico, assim como as fileiras de omatídios em um louva-a-deus camarão – tudo em um único pixel. Portanto, ele pode detectar superluz espectral e polarizada simultaneamente.

“Nosso trabalho demonstra que é possível criar sensores pequenos e eficientes que podem capturar imagens hiperpectrais e polares ao mesmo tempo.” O co-autor do NCSU, Brendan O’Connor, disse. “Acho que isso abre as portas para uma nova geração de tecnologias de sensoriamento eletrônico orgânico.”

Os pesquisadores construíram um protótipo para validar o conceito do sensor SIMPOL e testaram seus recursos em laboratório. Eles descobriram que enquanto as câmeras de smartphone CCD padrão usam três fontes de imagem espectral para luz vermelha, verde e azul, SIMPOL pode lidar com quatro canais espectrais e três canais de polarização, tudo ao mesmo tempo. A simulação de modelagem indica que a equipe pode melhorar ainda mais seu projeto para construir detectores capazes de detectar até 15 canais espectrais simultaneamente.

“Muitos programas de inteligência artificial (IA) podem tirar proveito de imagens hiperespectrais e polar padrão ricas em dados, mas o equipamento necessário para capturar essas imagens é atualmente um tanto volumoso.” O co-autor Michael Kudenov disse, Também da NCSU. “Nosso trabalho aqui torna possível dispositivos menores e mais amigáveis. Isso deve nos permitir trazer melhor esses recursos de IA em áreas da astronomia à biomedicina.”

DOI: Science Advances, 2021. 10.1126 / sciadv.abe3196 (Sobre DOIs)