揭开动物眼睛隐藏的奥秘

　　

北京科技报2005年12月14日报道   四眼鱼，上眼看空中物体，下眼在水中观察——在所有感觉器官中，眼睛大概是动物王国中变化最多样的。数百万年的进化已经形成了10种以上的动物视力系统，每一种都要特别适应它们各自的需要。

    科学家对各种动物眼睛进行了观察，当他们设计人造光学系统时，就可以参照不同的动物眼睛来设计。从鸟类到昆虫，从鲸到鱿鱼，科学家从动物王国的所有成员中获得灵感，以设计高性能的人造眼睛。

    美国加州大学生物工程师、纳米技术专家雷卢克阐述了最新研究，并将其发表在近日出版的《科学》上。

    动物眼睛，千奇百怪。

    弹涂鱼生活在水里，但它们时常爬到岸边的树上，在陆地上呆几个小时，因此，它们的眼睛是典型的陆地型眼睛。而它生活的水域大都是水质混浊的池塘，水下的视力好坏也无关紧要。

    鼓虫生活的水域是清澈的，因为它在定居问题上选择了水陆两栖，因此大自然毫不吝啬地给了它两对眼睛，一对在水里用，另一对浮出水面用。

    美洲中部湖泊里的一种四眼鱼，能敏捷地跃出水面，捕食正在飞行的昆虫。说它是“四眼鱼”，实际上它只有两只眼，这两只眼睛的特别之处在于，瞳孔上下径伸长，并被一层间隔将眼睛横截成两部分，其透明介质上部的折射介质适应于在空气中看东西，眼睛的下半部则适应于水中观察。

    鸬鹚等一些鸟类既要在飞行中远望，又需在水中捕鱼时看清近距离的景物。它们可以在极大的范围内调整晶状体的曲率。通常年轻人眼睛的折射率不足15个屈光度，鸬鹚则高达40~50个。因此，它们既能在稠密的水草中搜寻小鱼，又能发现高空中盘旋、随时都有可能发动突袭的猛禽。

    深海软体动物的眼睛，直径达20厘米，是具有延伸功能的套迭型眼睛。它们的瞳孔很大，可以将尽可能多的光线收入眼帘，在灵敏度极高的感光成分上聚焦。猫头鹰是善于夜战的动物，光线再弱它也能明察秋毫。它看东西所需要的光，强度仅为人眼需求的1/100。

    猫眼在黑暗中闪闪发光，狼眼在夜色中阴森可怖，其实它们的眼睛本身并不发光，但能反射进入眼睛的月光、星光和其他微弱的光线，并将这些光线汇集于眼睛的后表面上，所以才使它们的眼睛光彩照人。一类是复眼，另一类是相机眼。

    人类的眼睛是典型的相机型眼，用一个单镜头（眼珠）将图像聚焦到光敏感的视网膜上。其他自然界中的相机型眼有的还能伪装，而我们的眼睛却不能。

    比如，鸟的眼睛有特别的肌肉，能改变晶体的厚度和角膜的形状。鲸的眼睛有特别的“水压”，通过注水和排水来调压，从而可以让它们的晶体前后移动，使其离视网膜忽远忽近。这种独特系统可以让鲸在水里水外都能看得一清二楚。

    章鱼眼的单晶体像洋葱一样分层，每层都有稍微不同的光学特性，以利于章鱼快速聚光，还拥有极大的视野。雷卢克他们制造的晶体与这些相机型眼睛相似，通过改变特殊水室的液压来调焦。这些被称为“微型双重”晶体具有2种不同的形状，两边都彼此鼓起或都向一边弯曲，以调节焦距和视野。像这样的晶体可用作细胞相机、体内医学图像仪和光学图像贮存等。

    相机型眼的动物通过不同方式来调节其晶体，以看清不同距离的目标。虽然科学家早就知道相机型眼的每个部分的功能，但要制造一个功能全面的人造眼睛还有很长的路要走。

    科学家正在向自然界中发现的另一种眼睛——复眼进军。昆虫和节肢动物中有复眼。复眼由许多单个晶体组成。单个成像单位称为“小眼”。比如，蜻蜓为单复眼，其晶体达1万个。有些复眼能同时处理图像，每个晶体传送自己的信号给昆虫或节肢动物的大脑。这使它们快速发现目标和图像识别，这就是为何苍蝇很难打着。从动物眼睛上寻找灵感。

    新的显微加工技术可以让研究人员生产微型人造复眼。雷卢克他们已经制造出了人造小眼，每个小眼都有一个微型晶体连在管状的波导管上，以将光传送给光电子图像仪。他们还已经将“小眼”排成圆屋顶，到时可用以制造能看360度的装置。

    如今，科学家正在探测自然界的视觉系统，看看是否能从动物中找到关键工程问题的解决办法。比如，目前的红外线传感器虽然比人眼更厉害，但它们需要复杂的冷却系统才能工作。

    当雷卢克为下一代光学仪器的开发寻找灵感时，他想到了龙虾、苍蝇和章鱼。他与其他生物工程师借鉴动物来设计人造视觉系统，以用于高科技的相机、运动探测器、无人控制导航仪和人造视网膜植入。不过，自然界的视网膜可以弯曲，而人造的则不行。

    自然界中的一种甲虫能发现80公里以外的森林大火。雌甲虫将卵产在烧过的树上。它们侦探大火并用一个专门的器官，调到特别频率后才能探测到红外光。研究人员正在开发类似的新原料，以探测热量。

    研究人员在仿造眼睛上取得如此大的进步，主要原因之一是他们能制造柔韧的聚合体和塑料。活生生的眼睛和其他器官由天然的长链分子制成，因此，人造聚合体具有很多的感官能力。雷卢克他们能用快速成模办法让聚合体成为三维模型，使他们的装置具有弹性。