以皮皮虾为灵感开发的仿生学相机,让肿瘤无处隐藏,帮助医生彻底清除癌细胞

2021
05/10

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生物世界
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这项基于螳螂虾复眼发展而来的新型仿生成像系统为人类带来了全新的视觉感受,并在水下探测、医疗手术等方面展现出十分有潜力的应用前景!这也提示我们——大自然是最好的造物者,取道于自然,人类将拥有用之不竭的财富。

撰文 | nagashi

编辑 | 王聪

排版 | 水成文


2017年,皮皮虾莫名其妙的火了,微博和朋友圈被各种表情包刷屏,“皮皮虾,我们走”更是成为不少网友的口头禅。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”,酷炫无比。

更神奇的是,螳螂虾的身体构造也极为精巧,例如它的爪子在速度上有超常之处,爪子击打速度相当于0.22口径子弹的飞行速度,产生的冲击足以打破水族箱玻璃。此外,螳螂虾还长着一对大眼睛,被科学家们誉为动物王国中最复杂的目镜传感器。

2021年5月5日,美国伊利诺伊大学香槟分校的研究人员在 Science Translational Medicine 期刊上发表了题为: Hexachromatic bioinspired camera for image-guided cancer surgery  的研究论文,该论文还被选为当期封面论文

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。



仿生学 是一门既古老又年轻的学科,人们研究生物体的结构原理,并根据这些原理发明出新的设备、工具,创造出适用于生产、学习和生活的先进技术。事实也的确如此,世界上一些最伟大的创新,如达芬奇的飞行器,实际上都可以归功于大自然有力而又优雅的设计。

这项新研究的通讯作者、伊利诺伊大学电子和计算机工程教授 Viktor Gruev 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。”

早在2017年,Viktor Gruev 领导的研究团队就通过模仿螳螂虾的眼睛开发了一种能够感知颜色和光学偏振的超灵敏相机,这种仿生成像仪将改善早期癌症检测,并帮助人们对水下现象有新的理解。

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

仿生成像仪的成像能力

光的偏振——也就是光在空间中传播时的振荡方向。例如我们可以通过3D眼镜观看3D电影就是利用了光的偏振性,但遗憾的是,人类并不能直接感受到偏振光。相比之下,自然界的许多动物利用偏光视觉作为隐蔽的交流通道,甚至通过感知天空的偏光模式来导航。

螳螂虾作为最好的猎手之一,拥有自然界中最复杂的眼睛之一:人类的视觉有3种不同的颜色受体,而螳螂虾有16种不同的颜色受体和6个偏振通道。这意味着螳螂虾具有远超人类视觉系统的灵敏度,它们能捕捉到更多的视觉信息,且比当今最先进、最先进的相机使用更少的能量和空间。

螳螂虾的复眼(左)与该研究发明的仿生成像仪

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

通过将仿生成像仪与探针相结合,帮助医生看到肿瘤在病人体内的确切位置

不仅如此,本研究的作者之一、首席外科医生 Goran Kondov 在手术室展示了这项技术,他说:“这种生物灵感相机和新兴的肿瘤靶向药物的结合将确保外科医生不会在病人体内留下癌细胞。这对额外的眼睛将有助于防止癌症复发,为患者提供一个更快更容易的康复途径。”

利用仿生成像仪绘制前哨淋巴结的临床可行性研究

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。

总而言之,这项基于螳螂虾复眼发展而来的新型仿生成像系统为人类带来了全新的视觉感受,并在水下探测、医疗手术等方面展现出十分有潜力的应用前景!这也提示我们——大自然是最好的造物者,取道于自然,人类将拥有用之不竭的财富。

参考资料:
1. https://stm.sciencemag.org/content/13/592/eaaw7067
2. https://medicalxpress.com/news/2021-05-mantis-shrimp-inspired-camera-opinion-cancer.html
3. https://phys.org/news/2017-10-mantis-shrimp-inspired-camera-enables-glimpse.html


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关键词:
皮皮虾,癌细胞,螳螂虾,肿瘤,仿生,视觉,研究,偏振

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