Imitando l'occhio della canocchia, I ricercatori dell'Illinois hanno sviluppato una fotocamera ultra sensibile in grado di rilevare sia il colore che la polarizzazione. L'imager bioispirato può potenzialmente migliorare la diagnosi precoce del cancro e aiutare a fornire una nuova comprensione dei fenomeni sottomarini, hanno detto i ricercatori.

"Il regno animale è pieno di creature con occhi molto più sensibili e sofisticati dei nostri, " ha detto Viktor Gruev , un professore di ingegneria elettrica e informatica dell'Università dell'Illinois e coautore del nuovo studio. "Questi animali percepiscono fenomeni naturali che sono invisibili all'uomo.

"Polarizzazione della luce - cioè, la direzione dell'oscillazione della luce mentre si propaga nello spazio - ne è un esempio. Sebbene la maggior parte di noi abbia familiarità con gli occhiali da sole polarizzati, che rimuovono semplicemente l'abbagliamento, molti animali usano la visione polarizzata come canale di comunicazione nascosto, per trovare cibo, o anche per navigare rilevando i modelli di polarizzazione nel cielo."

La canocchia, considerato uno dei migliori cacciatori in acque poco profonde, possiede uno degli occhi più sofisticati in natura. Rispetto alla visione umana, che ha tre diversi tipi di recettori del colore, la canocchia ha 16 diversi tipi di recettori del colore e sei canali di polarizzazione, disse Gruev.

"Questi organi non solo superano la sensibilità del nostro sistema visivo, catturano anche più informazioni visive, utilizzando meno energia e spazio, rispetto ai più sofisticati di oggi, telecamere di ultima generazione, " Egli ha detto.

Gruev e lo studente laureato Missael Garcia hanno condotto uno sforzo per replicare il sistema visivo del gambero usando alcuni concetti fisici di base.

Riportano i loro risultati sulla rivista ottica .

"La natura ha ideato materiali tali che diversi colori di luce penetrino a diverse profondità, " disse Gruev, che dirige anche il Biosensors Lab dell'Illinois. "Se facciamo brillare un laser blu e un laser rosso sulla punta del dito, possiamo solo osservare la luce rossa sull'altro lato del dito. Questo perché la luce rossa può penetrare più in profondità nel tessuto".

"La natura ha costruito l'occhio del gambero di mantide in modo tale che gli elementi fotosensibili siano impilati verticalmente uno sopra l'altro, " ha detto Gruev. Questo impilamento consente l'assorbimento di lunghezze d'onda più corte, come la luce blu, nei fotorecettori superficiali e luce rossa nei recettori più profondi. I fotorecettori sono organizzati "in modo periodico su scala nanometrica che consente loro di 'vedere' anche le proprietà polarizzate della luce, " Egli ha detto.

"Le stesse leggi della fisica che si applicano al sistema visivo della mantide si applicano anche ai materiali in silicio, il materiale utilizzato per costruire le nostre fotocamere digitali", ha detto Garcia. "Impilando più fotodiodi uno sopra l'altro in silicio, possiamo vedere il colore senza l'uso di filtri speciali. E combinando questa tecnologia con nanofili metallici, abbiamo effettivamente replicato la porzione del sistema visivo del gambero di mantide che gli consente di percepire sia il colore che la polarizzazione".

Questa combinazione unica di fotorivelatori al silicio e nanomateriali ha permesso al team di ricerca dell'Illinois di creare una fotocamera a polarizzazione del colore point-and-shoot. Le applicazioni per tali fotocamere sono di ampia portata, dalla diagnosi precoce del cancro al monitoraggio dei cambiamenti nell'ambiente alla decodifica dei canali di comunicazione nascosti che molte creature sottomarine sembrano sfruttare, hanno detto i ricercatori.

In uno studio precedentemente pubblicato da Gruev, un sensore di polarizzazione bioispirato montato su un colonscopio potrebbe rilevare la natura disordinata delle cellule cancerose nel colon umano.

"Imitando il sistema visivo della canocchia, abbiamo creato una fotocamera unica che può essere utilizzata per migliorare la qualità della nostra vita, " Gruev ha detto. "L'idea che possiamo rilevare la formazione precoce del cancro è ciò che sta portando avanti questa ricerca. Il costo di questa tecnologia è inferiore a $ 100, che consentirà un'assistenza sanitaria di qualità in luoghi con risorse limitate in tutto il mondo".