Глаз насекомого стал прототипом при создании нового устройства – все о зрении

Глаз насекомого стал прототипом при создании нового устройства

Американские инженеры создали аналог фасеточному глазу насекомого – необычному органу, который состоит из сотен тысяч самостоятельных светочувствительных структур (омматидий).

Каждая такая структура включает линзу и клетку-колбочку, которая передаёт сигнал. Омматидии – это своеобразные тонкие длинные ниточки. Собранные в пучок и смотрящие под различными углами, они составляют полусферический глаз, позволяющий насекомым видеть пространство вокруг с широким обзором. Все объекты, расположенные на разном удалении, выглядят для них, при этом, одинаково отчётливо.

«В отличие от живых объектов, электроника всегда более грубая и обычно расположена на плоскости. Любые природные объекты, напротив, имеют искривлённую поверхность», – комментирует профессор Джон Роджерс, специалист Иллинойсского университета Урбан-Шампейна. В течение 3 лет в своей лаборатории он пытался создать цифровую камеру, полностью повторяющую природный аналог.

Созданное научной группой Роджерса устройство обладает всеми качествами глаза обычной мухи и «умеет» удерживать в фокусе рассматриваемый объект, независимо от его расположенности вблизи или вдали, прямо перед смотрящим или на его периферии. Угол обзора у камеры составляет практически 160 градусов, и подобно глазам мухи, камера обладает особой чувствительностью к движению.

Публикация в журнале Nature повествует о перипетиях и трудностях, создания данного устройства. Ведь всё получилось только благодаря интеграции новейших материалов, а также разработанных схем искусственных глаз, которые способны тягаться «зрением» с насекомыми.

Устройство включает в себя множество микролинз, которые объединены эластомером и помещены на блок кремниевых фотодетекторов. Все микролинзы – это аналоги омматидий, структурного компонента фасеточного глаза.

Собственно, искусственный глаз включает 180 таких «омматидий», ведь чем их больше, тем лучше. Сегодня камера позволяет получать только черно-белые изображения, но у цветного аппарата принцип действия будет аналогичным.

«В перспективе мы обязательно добьёмся уровня зрения стрекозы, глаза которой включают более 20 тыс. омматидий», – уверяет Джон Роджерс.

Для этого команде разработчиков придётся сделать все элементы искусственного глаза ещё меньше. Тем временем другие учёные мечтают уже использовать новые камеры как глаза для роботов-насекомых.

При этом, бионические устройства смогут лучше летать, если у них будет возможность легче определять свою локализацию в пространстве. В медицине новое устройство также нашло своё применение. Оно станет первым в новом классе профессиональных эндоскопов.

Камеры с панорамным обзором наверняка будут пользоваться огромной популярностью и у спасателей.

С удовольствием отвечу на Ваши вопросы.

Поплавец Елена Владимировна,

врач высшей категории офтальмологической клиники АИЛАЗ

Источник: http://meddovidka.ua/content/view/5164/

Чему мы учимся у природы

Почти все, что изобрел человек, уже существовало в природе. Стрекоза была раньше вертолета, рыбы — перед подводными лодками, паутина — прежде всех материалов, а стебли и деревья — до небоскребов. Сегодня мы расскажем, как и чему человек учился у природы.

Плыть, как рыба

Морские животные вдохновили людей на массу изобретений. Их обтекаемая форма послужила прототипом для создания кораблей, подводных лодок, атомных бомб.

Акулья кожа, покрытая мелкими чешуйками, стала основой для разработки энергосберегающего покрытия для авиалайнеров, теплоходов и лопастей ветряных электростанций.

По подсчетам немецких ученых-разработчиков, если покрыть самолеты и морские суда этим материалом — особой краской, снижающей сопротивление потоку, можно сэкономить до 4,5 млн т топлива в полетах и около 2000 т в год в морских рейсах.

Сейчас ученые из Гарвардского университета пытаются воссоздать кожу акулы мако с помощью 3D-печати, их конечная цель — изготовить высокотехнологичный костюм для дайвинга, который уменьшит сопротивление воды.

Еще одно современное ноу-хау: робот-разведчик, напоминающий рыбу черная ножетелка, что обитает в донных водах Амазонки. Робот, разработанный американскими инженерами, позаимствовал у ножетелки уникальную способность ориентироваться в полной темноте.

Исследователь Малкольм МакИвер занимался изучением сенсорной и двигательной систем этих рыб в течение многих лет. Он выяснил, что для ориентации ножетелка посылает слабый электрический импульс, создаваемый особым органом, а для передвижения совершает волнообразные движения длинным нижним плавником.

Оба этих свойства были «подарены» новым роботам-водолазам, которые смогут проводить разведку в труднодоступных и малоосвещенных местах, таких как затонувшие корабли.

Тропическая рыба желтый пятнистый кузовок с ее необычными очертаниями вдохновила компанию Mercedes-Benz на создание бионической машины Bionic Car, которая повторяет форму рыбы и благодаря ей передвигается с большой эффективностью.

Летать, как птица

Птицы, бабочки, стрекозы и другие насекомые издавна вдохновляли людей на создание разнообразных летательных аппаратов. Один из пионеров авиации — Леонардо да Винчи зарисовывал полеты птиц разных пород и летучих мышей и пытался воссоздать их способ передвижения.

В 1487 году он разработал орнитопер — летательную машину, основанную на птичьем полете. Еще одна идея да Винчи — втяжные лестницы, прототипом для которых служат ноги стрижа.

И хотя придуманные да Винчи машины так и не полетели, идеи, позаимствованные у природы, со временем были воплощены другими изобретателями летательных аппаратов.

Например, стрекоза стала прообразом вертолета. Как и насекомое, машина взлетает с места без предварительного разбега, «зависает» в воздухе, садится без пробега.

Ее удивительные летательные способности вдохновляли, в частности, изобретателя Игоря Сикорского.

Один из его вертолетов был почти точной копией стрекозы: в распоряжении ученого были 2000 воссозданных на компьютере маневров стрекозы в воздухе.

В настоящее время французские инженеры пытаются максимально приблизить конструкцию крыла самолета к крыльям крупных хищных птиц.

«Это позволит повысить подъемную силу самолета при малых скоростях, понизить сопротивляемость воздуха, затраты энергии на полет, и, возможно, даже уровень шума, воздействуя на уровень турбулентности потоков», — поясняет разработчик Марианна Браза, представившая крыло-новинку в этом году.

Одним из ноу-хау стали тонкие пластинки, которые вибрируют и снижают турбулентность, — у птиц эту задачу выполняют мелкие перья, расположенные на задней кромке крыльев.

Видеть, как кошка

Видеть в темноте человек учился у кошек и сов. Принципы их зрения были использованы при разработке приборов ночного видения.

Кошачьи глаза легли в основу еще одного изобретения — светоотражателя. Его придумал англичанин Перси Шо, когда на темной трассе увидел отражение фар своей машины в глазах кошки. Изобретение «кошачий глаз» было запатентовано в 1934 году и вскоре появилось на дорогах Великобритании, увеличив их безопасность.

Ловить ультразвук, как летучая мышь

Летучие мыши помогли ученым открыть эхолокацию — способ определения положения объекта в пространстве по времени задержки возвращений отраженной волны.

Первооткрывателем стал итальянский натуралист и физик Ладзаро Спалланцани: в конце XVIII века он наблюдал за перемещениями летучих мышей в темной комнате и заметил, что эти животные прекрасно ориентируются. В ходе опыта он ослепил нескольких особей и обнаружил, что они летают так же хорошо, как и зрячие.

После опыта его коллеги, который залепил воском уши летучих мышей и констатировал, что они натыкаются на все предметы, стало очевидно, что эти животные ориентируются по слуху. Эти знания пригодились лишь в XX веке, когда стало известно об ультразвуке.

Ученые создали ряд приборов, в том числе сонар для подводных объектов и морского дна. К эхолокации способны не только летучие мыши, но и киты и дельфины, в меньшей степени некоторые птицы (гуахаро, саланганы), землеройки и мадагаскарский еж тенрек.

Недавно британские инженеры из Саутгемптонского университета представили новый тип радара, который позволит извлекать лыжников из-под лавин и шахтеров из подземных завалов. Автор проекта Тимоти Литон придумал это устройство, удивившись сверхспособностям дельфинов: они ориентируются даже в мутной воде благодаря издаваемым импульсам и безошибочно отыскивают пищу.

Менять окрас, как хамелеон

Многие животные умеют менять окрас и сливаться с окружающей средой. Эту их способность позаимствовали создатели камуфляжа. Разработки в этой области продолжаются. Например, в январе 2014 года американские ученые из Гарвардского университета сообщили, что изучают способности к перемене окраса у каракатицы — они надеются, что это исследование поможет улучшить защитную одежду для солдат.

Позже коллектив ученых из университетов Хьюстона и Иллинойса представил материал, который анализирует окружающую обстановку и автоматически меняет собственную окраску, подстраиваясь под цвет фона. Источником для разработки послужили головоногие моллюски: осьминоги, кальмары и каракатицы.

Прилипать, как геккон

«Липкие» лапы геккона легли в основу ноу-хау от ученых из Стэнфордского университета. Они придумали специальные перчатки с присосками, надев которые любой человек может вскарабкаться на вертикальную стену.

Силиконовые присоски, как и лапы геккона, покрыты тысячами волосков, и благодаря межмолекулярному притяжению (Ван-дер-Ваальсовы силы) материал словно приклеивается к поверхности.

Испытания прошли в этом году и были похожи на съемки фильма о Человеке-пауке.

Приставать, как репейник

Репейник с его маленькими крючками-зацепками стал прототипом текстильной застежки — липучки. Ее придумал швейцарский натуралист и инженер Жорж де Мистраль, когда чистил от репейника свою собаку после прогулки в горах в 1948 году и задумался, отчего так трудно отлеплять эти плоды растения от шерсти.

Приклеиваться, как моллюски

Рыба-прилипала, моллюски, морские черви и многие другие живые организмы на планете обладают способностями вырабатывать сверхлипкое вещество. Именно они натолкнули людей на изобретение клея.

В последнее время ученые занимаются усовершенствованием клейкого вещества: последняя разработка из Гарвардского университета — суперклей на основе слизи моллюсков для «залатывания» стенок сердца и сосудов.

Ноу-хау от американских ученых — искусственный клей для операций на внутриутробном плоде, воссоздающий свойства слизи морских червей Phragmatopoma californica.

Плести сети, как паук

Паучья нить отличается необыкновенной прочностью: она в пять раз превышает прочность стали. Согласно расчетам ученых она смогла бы остановить даже авиалайнер, если бы имела толщину карандаша. Неудивительно, что люди издавна пытались воссоздать паучью нить.

И в конечном итоге у них получилось произвести столь же прочные материалы, например, полиакрилонитрил. Но ученые пошли еще дальше: в Университете штата Юта паучьи гены были добавлены в ДНК козы, в результате паутину можно отфильтровывать из молока.

В 2011 году голландские ученые пытались пойти еще дальше: они соединили искусственную кожу с паутиной, полученной из молока генетически измененных коз, и создали пуленепробиваемую ткань: в ходе испытаний она отразила пули калибра 5,56.

В их планах было вживление паутины в человеческую кожу, однако до сих пор о появлении Человека-паука ничего не известно.

Добывать свет, как светлячки

Недавно корейские инженеры изучили наноструктуру брюшка светлячков и создали на ее основе сверхъяркие и более эффективные светодиоды: для этого они изменили микроструктуру поверхности светодиода, повысив его прозрачность. О том, как еще используются свойства светлячков и других светящихся животных, мы уже рассказывали в обзоре «Живые лампочки».

Источник: https://www.moya-planeta.ru/travel/view/chemu_my_uchimsya_u_prirody_9032/

Изобретения, подсказанные насекомыми

Зоологи давно интересовались назначением двух маленьких загадочных придатков, расположенных сзади единственной пары крыльев у двукрылых насекомых. Эти органы, так называемые жужжальца, имеют форму палицы и соединены с телом тонким черешком.

Во время полета жужжальца непрестанно вибрируют, при этом наружный конец каждого из них описывает дугу. Если направление полета меняется, жужжальца имеют тенденцию продолжать движение в том же плане, что и раньше.

Это создает натяжение черешка, и мозг насекомого может точно определить изменение в направлении полета и дать необходимые указания мускулам, управляющим движением крыльев.

Этот уравновешивающий орган послужил образцом для очень важного изобретения — гироскопа с вибрирующими тонкими пластинками, который пришел на смену классическому гироскопу, оказавшемуся явно несостоятельным при управлении полетом сверхзвуковых самолетов и снарядов.

Основанный точно на том же принципе, что и жужжальца двукрылых, этот гироскоп необычайно чувствителен. Он моментально обнаруживает любое изменение в направлении самолета.

Основное же преимущество этого прибора в том, что в сравнении с классическим гироскопом он менее подвержен влиянию больших ускорений. Практически лишенный инерции, обладая очень высокой стабильностью, этот указатель виражей стал сегодня необходимым на самых скоростных самолетах.

(Как знать, может и борьба с тараканами в квартире подскажет какому-нибудь пытливому человеку идею для очередного полезного изобретения).

Другое изобретение, также подсказанное насекомыми, — это «небесный компас поляризованного света». Прежде всего, напомним, что солнечный свет частично поляризован. Значит, зная плоскость поляризации излучения, можно определить положение источника света, даже если он невидим.

Однако человеческому глазу для этого необходима помощь специального аппарата, называемого анализатором. Но такой анализатор является составной частью каждого оптического элемента сложного глаза пчелы. Омматидии (независимые элементы шаровидных глаз насекомых) глаза пчелы разделяются на восемь частей, расположенных звездочкой.

Эти своеобразные поляроидные экраны пропускают поляризованный свет с разной интенсивностью в зависимости от его направления.

Итак, для пчелы небо будет неодинаковой яркости в каждом элементе омматидия. Картины будут различными в зависимости и от наблюдаемого участка неба и от часа дня.

Такое устройство зрительного органа позволяет пчеле ориентироваться по отношению к солнцу, даже когда оно полностью скрыто облаками.

Мореплаватели, которые определяют свое местонахождение по солнцу, всегда оказываются в большом затруднении, если дневное светило прячется за тучами. И вот здесь на помощь приходит небесный компас. Он находит положение солнца, анализируя поляризованный свет.

Еще одно недавнее изобретение базируется на особенности зрительной системы насекомых. Омматидии дают не одно изображение предмета, помещенного в их поле зрения, а целую серию независимых изображений.

Такая особенность устройства глаза дает определенное преимущество при наблюдении за движущимися предметами. Всякий перемещающийся предмет входит последовательно в поле зрения различных омматидиев.

Таким образом, животное оказывается в состоянии определить скорость движения этого предмета.

Глаз насекомого и послужил «прототипом» очень простого прибора для мгновенного измерения скорости самолетов. Этот недорогой и малогабаритный прибор (ни в коей мере не соперничающий с радиолокатором) оповещает наблюдадателя о скорости какого-либо тела, пересекающего поле зрения прибора.

Источник: http://www.poznavayka.org/nauka-i-tehnika/izobreteniya-podskazannyie-nasekomyimi/

Глаза рыб и насекомых стали прототипами новых линз

В условиях низкой освещенности мутных рек рыба-слон ориентируется благодаря уникальной форме сетчатки глаза. Эта форма была взята за основу при создании дизайна контактных линз с регулируемым фокусом.

Представьте себе контактные линзы, которые способны фокусироваться в течение нескольких миллисекунд. Для людей с возрастной дальнозоркостью (пресбиопией) это было бы прекрасным решением проблемы. Пресбиопию также называют “старческой болезнью” в связи с затвердением хрусталика глаза и возникновением трудностей при рассмотрении близких объектов.

Специалист из Висконсинского университета в Мадисоне Хонгру Цзян (Hongrui Jiang) сообщает, что этому недугу подвержено более 1 миллиарда человек по всему миру. Очки, обычные контактные линзы и хирургические операции дают некоторое улучшение, но все они влекут за собой потерю контрастности и чувствительности зрения.

Идея Цзяна заключается в разработке линз, которые будут постоянно подстраиваться под освещение и настраивать резкость видения.

Для успешной реализации проекта необходимо разработать дизайн линз, создать алгоритм управляемых датчиков и миниатюрных электронных схем, которые будут регулировать форму линзы, а также разработать источник питания. Все вышеперечисленное должно быть встроено в мягкий гибкий гипоаллергенный материал.

На данный момент ведется работа над дизайном датчиков изображения. Они должны быть чрезвычайно малы и способны анализировать изображения в условиях низкой освещенности, поэтому необходима высокая чувствительность к свету.

Разработчики вдохновились строением сетчатки рыбы-слона, которая состоит из ряда глубоких чашеобразных структур с отражающими боковыми стенками. Такая структура помогает собирать свет и улавливать определенные длины волн.

В будущем устройстве также будет присутствовать множество маленьких коллекторов. Это стеклянные выпуклости, внутрь которых помещены глубокие чашечки, покрытые отражающим алюминием. Свет попадает на них, а затем собирается боковыми стенками.

Цзян и его команда проверили способность данного устройства улучшать зрение на механической модели глаза, разработанной в лаборатории.

Отдельным этапом исследования стал подбор материала для контактных линз. Одним из вариантов стала жидкая линза, созданная из капли силиконового масла и воды.

Капля помещается сверху гибкой платформы, в то время как пара электродов создает электрическое поле, которое модифицирует поверхностное натяжение каждой жидкости. Силы натяжения создают различные фокусные расстояния.

Такие линзы способны фокусироваться на объектах размером до 20 мкм.

Другой вариант создавали, ориентируясь на сложное строение глаз насекомых. Их глаза включают в себя тысячи отдельных микролинз, ориентированных в разных направлениях. Цзян и его коллеги разработали целый набор искусственных микролинз из множества кремниевых нанопроводов.

Вместе микролинзы дают еще более высокое разрешение изображения, чем жидкая линза. Гибкость этой конструкции делает ее пригодной для применения в других областях. Обернув ее вокруг лапароскопической хирургической камеры, можно получить 360-градусный обзор внутри тела пациента.

Установив такую линзу на фонарный столб, можно увидеть перекресток со всех сторон.

Для регулировки фокуса необходимо наличие микроскопического источника питания.

В качестве источника была предложена солнечная батарея, преобразующая энергию света в электрическую.

Источник: https://www.innoros.ru/news/foreign/16/03/glaza-ryb-i-nasekomykh-stali-prototipami-novykh-linz

Фасеточное зрение

Фасеточное зрение – это тип зрения, присущий насекомым, ракообразным и некоторым другим беспозвоночным, который характеризуется наличием фасеточных глаз. Фасеточные глаза имеют сложное строение и состоят из мелких структурных единиц (омматидиев), форма роговичной линзы которых похожа на выпуклый шестигранник (фасетку).

Фасеточное зрение характеризуется плохим различением мелких деталей, но хорошей способностью различать частое мигание света – до 250-300 Гц, в то время как для человека предельной частотой является 50 Гц.

Особенности фасеточного зрения насекомых

Фасеточные глаза насекомых неподвижны, в отличие от глаз человека, например, которому свойственно бинокулярное зрение.

Глаза стрекозы занимают почти всю поверхность ее головы и состоят из 30 тысяч структурных частиц.

Количество омматидиев у разных видов насекомых отличается: у рабочего муравья их в глазу около 100, у пчелы – 5 тысяч, у комнатной мухи – 4 тысячи, а у бабочек – до 17 тысяч.

Чем же отличается фасеточный тип зрения от бинокулярного? Бинокулярное зрение человека дает ему возможность воспринимать мир объемным, координировать свои движения при ходьбе, прыжках, ориентироваться на местности, оценивая расстояние до объекта и расположение объектов относительно друг друга.

Однако зрение человека ограничено пространством с углом зрения около 46 °. Если нам нужен больший обзор, мы рефлекторно двигаем глазное яблоко в сторону или поворачиваем голову. Фасеточное зрение насекомых благодаря устройству глаз в виде двух полусфер с большим количеством омматидиев позволяет насекомым видеть предметы и окружающее пространство со всех сторон, не поворачивая головы.

Изображение, воспринимаемое фасеточным типом зрения, похоже на мозаику, где каждый элемент воспринимается одной структурной единицей глаза, а вместе они воссоздают общую картинку. Каждый глаз человека благодаря наличию хрусталика воспринимает и фокусирует изображение, отправляя сигнал в мозг, где формируется единая картина.

Разновидности фасеточных глаз

Анатомические омматидиев, обеспечивающих фасеточное зрение, и их оптические свойства у разных насекомых отличаются. В зависимости от этого различают три типа фасеточных глаз:

апозиционные – встречаются у дневных насекомых. Непрозрачный пигмент постоянно разделяет фасетки, находящиеся рядом, поэтому рецепторы глаза воспринимают только тот свет, который совпадает с осью данного омматидия;
оптикосуперпозиционные – встречаются у сумеречных и ночных насекомых и ракообразных. Пигмент имеет способность перемещаться и изолировать омматидии попеременно, что повышает чувствительность глаз при слабом освещении;
нейросуперпозиционные. Зрительные клетки, находящиеся в разных омматидиях, но получающие свет из одной и той же точки пространства, суммируют сигнал.

Особенности фасеточного зрения насекомых, заключающиеся в широком обзоре пространства, дали начало новому направлению в развитии прикладной оптики, направленному на разработку искусственных фасеточных глаз, которые можно использовать в миниатюрных системах видеонаблюдения и контроля.

Источник: http://VitaPortal.ru/medicine/glaznye-bolezni/fasetochnoe-zrenie.html

Искусственный глаз как у насекомых

Достижения в области робототехники сподвигают ученых и инженеров создавать машины, максимально напоминающие представителей мира природы, в том числе и людей. Так некоторые инженеры обратили свое внимание на насекомых. Естественно, что и органы чувств подобных машин должны иметь те же характеристики, что и их живые аналоги.

Так консорциум европейских исследователей из Университетов Марселя и Лозанны, института Фраунгофера в Йене и Университета де Тюбинген принял решение создать искусственный глаз, который сможет видеть точно тоже, что видят насекомые и другие членистоногие. То есть использовать принцип не одного глаза, а широкополосного зрения.

Сейчас большинство роботизированных машин в качестве органов осязания используют аналог человеческого глаза. Есть объектив, фокусирующий картинку и приемник видеосигнала – цифровая матрица.

Насекомые же видят мир совершенно по-другому. Их зрение представляет плотную мозаику из сотен или тысяч отдельных полнофункциональных глаз. С инженерной точки зрения такую структуру воспроизвести чрезвычайно сложно, но в случае успеха это позволит значительно улучшить характеристики искусственных органов осязания новых роботов.

В результате плодотворной работы исследователей появился прототип устройства CurvACE, который по их собственному заверению способен видеть точно также как и глаз насекомого.

Подобные разработки уже велись учеными, например создание ультра-широкоугольной камеры американскими исследователями.

Но европейцы утверждают, что их новый прототип позволяет не только максимально полно использовать возможности широкополосного зрения, но еще и очень быстро обрабатывает полученную таким способом визуальную информацию.

CurvACE представляет собой массив из трех очень тонких (менее 1 мм) светочувствительных слоев. Они состоят из набора микролинз, нейроморфных фотодетекторов и гибкой электронной печатной платы. Трудность создания прототипа была в том, чтобы максимально отрегулировать на изогнутой поверхности каждый светочувствительный и оптический элемент.

Новый искусственный глаз работает под управлением программируемого маломощного процессора.

Результаты испытаний CurvACE показали его достаточно хорошие оптико-электрические характеристики. Глубина зрения практически бесконечна при отсутствии смазывания изображения и внеосевой аберрации. Разрешение полученной картинки примерно идентично тому, что видят глаза плодовой мушки. При этом CurvACE обрабатывает полученную информацию в три раза быстрее, чем это происходит у насекомого.

Исследователи видят использование CurvACE не только в области создания роботов-насекомых.

Искусственным глазом с подобными характеристиками смогут оснащаться наземные и воздушные транспортные средства, а также аэрокосмические аппараты.

Внедрение подобных устройств позволит значительно сократить количество аварий в результате столкновений. Также разработку можно будет использовать при создании медицинского диагностического оборудования.

На данный момент европейские исследователи создали четыре прототипа CurvACE с различными конструктивными и оптико-электрическими характеристиками. На их основе они хотят провести исследования и возможно создать более совершенные модели искусственных глаз.

Источник: http://scsiexplorer.com.ua/index.php/novie-razrabotki/optoelektronika/1113-iskusstvennyj-glaz-kak-u-nasekomyh.html

Бионический глаз – искусственная зрительная система :

Бионический глаз – что это? Именно такой вопрос возникает у людей, которые впервые столкнулись с этим термином. В приведенной статье мы подробно на него ответим. Итак, приступим.

Определение

Бионический глаз – это устройство, позволяющее слепым различать ряд визуальных объектов и компенсировать в определённом объёме отсутствие зрения. Хирурги имплантируют его в повреждённый глаз в качестве протеза сетчатки. Тем самым они дополняют искусственными фоторецепторами сохранившиеся в сетчатке неповреждённые нейроны.

Принцип действия

Бионический глаз состоит из полимерной матрицы, снабжённой фотодиодами. Она фиксирует даже слабые электрические импульсы и транслирует их нервным клеткам.

То есть сигналы преобразуются в электрическую форму и воздействуют на нейроны, которые сохранились в сетчатке. У полимерной матрицы есть альтернативы: инфракрасный датчик, видеокамера, особые очки.

Перечисленные устройства могут восстановить функцию периферийного и центрального зрения.

Встроенная в очки видеокамера записывает картинку и отправляет её в процессор-конвертор. А тот, в свою очередь, преобразует сигнал и отсылает его ресиверу и фотосенсору, который вживлён в сетчатку глаза больного. И только потом электрические импульсы передаются в мозг пациента через оптический нерв.

Специфика восприятия изображения

За годы исследований бионический глаз претерпел множество изменений и доработок. В ранних моделях картинка передавалась с видеокамеры сразу в глаз пациента. Сигнал фиксировался на матрице фотодатчика и поступал по нервным клеткам в мозг. Но в этом процессе был один недостаток – разность в восприятии изображения камерой и глазным яблоком. То есть они работали не синхронно.

Другой подход состоял в следующем: вначале видеоинформация отправлялась в компьютер, который преобразовывал видимое изображение в инфракрасные импульсы. Они отражались от стёкол очков и попадали через хрусталик в глазную сетчатку на фотосенсоры. Естественно, пациент не может видеть ИК-лучи.

Но их воздействие аналогично процессу получения изображения. Иными словами, перед человеком с бионическими глазами формируется доступное для восприятия пространство.

А происходит это так: картинка, полученная от действующих фоторецепторов глаза, накладывается на изображение от камеры и проецируется на сетчатку.

Новые стандарты

С каждым годом биомедицинские технологии развиваются семимильными шагами. В данный момент собираются внедрять новый стандарт для системы искусственного зрения. Это матрица, каждая сторона которой будет содержать по 500 фотоэлементов (9 лет назад их было всего 16).

Хотя, если провести аналогию с человеческим глазом, содержащим 120 млн палочек и 7 млн колбочек, то становится понятен потенциал дальнейшего роста.

Стоит отметить, что информация передаётся в головной мозг через миллионы нервных окончаний, а потом их уже самостоятельно обрабатывает сетчатка.

Argus II

Этот бионический глаз был разработан и сделан в США компанией «Ясновидение». 130 пациентов с заболеванием пигментный ретинит воспользовались его возможностями. Argus II состоит из двух частей: встроенной в очки мини-видеокамеры и имплантата.

Все объекты окружающего мира фиксируются на камеру и передаются в имплантат через процессор по беспроводной связи. Ну а имплантат с помощью электродов активирует имеющиеся у больного клетки сетчатки, отправляя информацию прямиком в зрительный нерв.

Пользователи бионического глаза уже через неделю чётко различают горизонтальные и вертикальные линии. В дальнейшем качество зрения через это устройство только возрастает. Argus II стоит 150 тысяч фунтов стерлингов.

Однако исследования не прекращаются, так как разработчики получают различные денежные гранты. Естественно, искусственные глаза ещё довольно несовершенны.

Но учёные делают всё, чтобы качество передаваемой картинки улучшилось.

Бионический глаз в России

Первым пациентом, которому в нашей стране вживили устройство, стал 59-летний челябинец Александр Ульянов. Операция шла на протяжении 6 часов в Научно-клиническом центре оториноларингологии ФМБА.

За периодом реабилитации пациента следили лучшие офтальмологи страны. На протяжении этого времени в установленный Ульянову чип регулярно пускали электрические импульсы и отслеживали реакцию.

Александр показывал отличные результаты.

Конечно, он не различает цветов и не воспринимает многочисленные объекты, доступные здоровому глазу. Окружающий мир Ульянов видит размыто и в чёрно-белом цвете. Но и этого ему достаточно для абсолютного счастья. Ведь последние 20 лет мужчина вообще был слепым.

А сейчас его жизнь полностью изменил установленный бионический глаз. Стоимость операции в России составляет 150 тыс. рублей. Ну и плюс цена самого глаза, которая была указана выше.

Пока устройство выпускают только в Америке, но со временем в России должны появиться аналоги.

Источник: https://www.syl.ru/article/344602/bionicheskiy-glaz-iskusstvennaya-zritelnaya-sistema

Эволюция человеческого глаза

Человеческий глаз способен видеть при освещении в несколько фотонов и при прямом солнечном свете. Он способен фокусироваться всего за треть секунды. Благодаря этому и за счет особенностей строения (о которых речь пойдет дальше) глаз считается одним из самых сложных органов организма. Что это? Результат эволюции или невероятное стечение обстоятельств? Попробуем разобраться в этом.

Эволюция органа зрения глазами Дарвина

Некоторые ученые считали идею эволюции органа зрения крайне абсурдной. Но так ли это на самом деле? Чарльз Дарвин предложил свое объяснение механизма эволюции. Он считал, что если орган зрения непрерывно изменяются, то эти изменения наследуются.

А значит, сложнейший орган зрения мог быть создан в таком виде, каким мы его сейчас наблюдаем, путем естественного отбора.

Он проанализировал строение органа зрения многих существ, а также показал изменения в структуре глаза — начиная с самых простых и заканчивая сложнейшими организмами.

Эволюция человеческого глаза началась более 500 000 000 лет назад. Именно тогда началось развитие светочувствительного пятна, состоящего из нескольких клеток у простейшего организма. Пятно помогало отличать свет от тьмы.

И хотя оно не могло определять расстояние или изображение, но именно с него началось развитие глаза.

В пользу эволюции говорит тот факт, что для того, чтобы пятно развивалось и со временем превратилось бы в пятно у планарии (плоского червя) или обычный глаз рыбы, потребовалось бы развитие множества компонентов и систем организма.

Для каждого из компонентов необходимо наличие протеинов (белков), которые выполняли бы особые функции. Эти функции должны закрепляться в ДНК существа. Существование подобных веществ означает, что во взаимодействие и процесс эволюции вовлекается система других протеинов или генов со своей функцией. Без них зрение невозможно.

Эволюция – на пути к совершенству

Человеческий глаз не претендует на совершенство хотя бы потому, что он не идеален. А значит, глаз – это результат эволюции. С другой стороны, то, что мы считает дефектом дизайна, на самом деле может оказаться весьма полезным. Какие же дефекты дизайна человеческого глаза мы знаем?

Биолог Ричард Доукинс в своей книге «Слепой часовщик» справедливо утверждал, что с точки зрения фотоинженерии, фотографические элементы должны быть направлены к свету, а провода, связывающие элементы с органом воспроизведения и анализа – к мозгу (в нашем случае).

Если элементы подключены «задом наперед», а провода располагаются на стороне, близкой к свету, свет преодолевает их массу, ослабляется и искажается. С точки зрения Доукинса, это эстетически не правильно. Однако это предположение не объясняет того, почему подобная система успешно используется позвоночными в течение долгих лет.

Но тот же Доукинс добавляет, что различие несущественно, ведь большинство фотонов направляются прямо и в любом случае будут пойманы глазом.

О сетчатке глаз различных животных

Самые развитые неперевернутые сетчатки глаза принадлежат головоногим – кальмару и осьминогу. Сетчатка осьминога содержит 20 000 000 клеток-фоторецепторов. Но и это не предел. У человека их 126 миллионов, а у птиц – в 10 раз больше.

Сетчатка человеческого глаза содержит «центральную ямку». Это «центр центра» — место в «пятне» — центре человеческой сетчатки. Именно здесь больше всего фоторецепторов и колбочек.

Все сосуды располагаются к ней таким образом, что создается область высокой визуальной резкости с постепенным уменьшением визуальной резкости к периферии сетчатки. А само пятно в 100 раз чувствительнее сетчатки.

Это позволяет глазу человека сфокусироваться на определенном участке, не отвлекаясь на периферийное зрение.

Иначе дело обстоит с глазами птиц. Их сетчатка не имеет центральной ямки или пятна. Сетчатка осьминога также не имеет ямки, но у осьминога есть линейный централис. Этот орган формирует диапазон резкости вдоль сетчатки. Глаз осьминога имеет еще одну особенность. Используя статоцист(орган равновесия), глаз всегда поддерживает одну позицию относительно гравитационного поля Земли.

Энергозатраты на поддержание такого сложного органа весьма велики. Так, потребление кислорода сетчаткой глаза (из расчета на один грамм ткани) на 50 % больше, чем в печени, и на 600 % больше, чем в сердечной мышце (миокарда). Близость фоторецепторов к капиллярам и отсутствие на их пути нервов обеспечивает быструю поставку питательных веществ и выводит отходы.

Примеры

Впервые зрение появилось около 540 000 000 лет назад. Эволюционный процесс был сложным. Сначала у одноклеточного эвглены зелёной появилось светочувствительное пятно – «глазок». Способность различать свет для эвглены было жизненно необходимым. По мере усложнения жизни и появления новых видов эволюционировал и глаз.

Так, происходила группировка светочувствительных клеток в виде «пятна». С помощью него организм мог оценить передвижения хищника. С появлением глазных пятен у медуз (около 500 млн. лет назад), эти организмы могли ориентироваться в пространстве.

У ресничных червей появляется уже два пятна, и каждое из них содержит тысячи фоточувствительных клеток. Эти пятна лишь наполовину погружены в чашку пигмента – прообраза современного глаза. Постепенно образуется желобок, так называемый «бокал глаза». Например, это можно увидеть у речных улиток. Видимость таким глазом как через матовое стекло.

Происходит повышение остроты зрения по мере сужения наружного отверстия глаза. У моллюска наутилус глаз размером 1 сантиметр содержит миллионы клеток, но все равно улавливает мало света.

На определенном этапе эволюции появилось два органа зрения. Один позволял видеть мир в светлых красках. Другой позволял различать очертания предметов.

Именно от второго и происходит человеческий орган зрения. Чуть позднее происходит формирование прозрачной пленки, которая защищает зрачок от загрязнения и меняет его способность преломления света.

Так появляется первый хрусталик. Чем он больше – тем острее взор.

Глаз оказывается настолько совершенным органом, что природе понадобилось изобрести его дважды, отдельно для беспозвоночных и для позвоночных. Процесс развития тоже был различным.

В случае с моллюсками глаз произошел из эпителия, а в случае с человеком – из эпителия (роговица и хрусталик) и нервной ткани (стекловидное тело и сетчатка). Есть также третий, фасеточный глаз. Он более сложный и состоит из множества омматидиев (отдельных глазков).

Этим глазом обладают трилобиты, насекомые, ракообразные и некоторые беспозвоночные.

Источник: https://vsezrenie.ru/evolyuciya-chelovecheskogo-glaza/

Как видят мухи? Панорамная камера «глаз мухи»

Знания нельзя купить, здесь их дают бесплатно!

«Класс!ная физика» – на Youtube

Удивительными, необычными глазами обладает обыкновенная муха!
Впервые люди смогли посмотреть на мир глазами насекомого в 1918 г. благодаря немецкому ученому Екснеру.

Экснер доказал наличие необычного мозаичного зрения у насекомых. Он сфотографировал окно сквозь фасеточный глаз светляка, помещенный на предметное стекло микроскопа.

На фотографии было видно изображение оконного переплета, а за ним расплывчатые очертания собора.

Сложные глаза мухи называются фасеточными, состоят они из многих тысяч крохотных, отдельных шестиугольных глазков-фасеток, называемых омматидиями. Каждый омматидий состоит из линзочки и примыкающего к ней длинного прозрачного кристаллического конуса.

У насекомых фасеточный глаз может иметь от 5000 до 25 000 фасеток. Глаз комнатной мухи состоит из 4000 фасеток. Острота зрения у мухи низкая, видит она в 100 раз хуже человека. Интересно, что у насекомых острота зрения зависит от числа фасеток в глазу!
Каждая фасетка воспринимает лишь часть изображения. Части складываются в одну картину, и муха видит “мозаичную картину” окружающего мира.

Благодаря этому муха имеет почти круговое поле зрения на 360 градусов. Она видит не только то, что находится впереди нее, но и то, что творится вокруг и сзади, т.е. крупные фасеточные глаза позволяют мухе одновременно смотреть в разные стороны.

В глазах мухи отражение и преломление света происходит таким образом, что максимальная его часть попадает внутрь глаза под прямым углом, вне зависимости от угла падения. Фасеточный глаз – это растровая оптическая система, в которой в отличие от глаза человека нет единой сетчатки.

Каждый омматидий имеет свой диоптрический аппарат. Кстати, понятия аккомодации, близорукости или дальнозоркости для мухи не существует. Муха, как и человек, видит все цвета видимого спектра. Кроме того муха способна различать ультрафиолет и поляризованный свет.

Понятия аккомодации, близорукости или дальнозоркости мухе не знакомы. Глаза мухи очень чувствительны к изменению яркости света.

Изучение фасеточных глаз мухи показало инженерам, что муха способна очень точно определять скорость объектов, движущихся на огромной скорости. Инженеры скопировали принцип мушиных глаз для создания быстродействующих детекторов, определяющих скорость летящих самолетов. Такой прибор получил название “глаз мухи”.

Ученые Федеральной политехнической школы Лозанны изобрели камеру с обзором на 360 градусов, позволяющую трансформировать изображение в формат 3D, не искажая его.

Они предложили совершенно новую конструкцию, источником вдохновения послужило устройство глаза мухи.

По форме камера напоминает маленькую полусферу размером с апельсин, по поверхности расположены 104 мини-камеры, наподобие тех, что встроены в мобильные телефоны.

Эта панорамная камера дает трехмерное изображение на 360 градусов. Однако каждую из составных камер можно использовать и отдельно, перенося внимание зрителя на определенные участки пространства.
Этим изобретением ученые разрешили две основные проблемы традиционных кинокамер: неограниченного в пространстве ракурса и глубины резкости.

ГИБКАЯ КАМЕРА НА 180 ГРАДУСОВ

Группа исследователей из университета Иллинойса под руководством профессора Джона Роджерса создали фасетчатую камеру, работающую принципу глаза насекомого.
Новое устройство внешне, и по своиму внутреннему строению напоминает глаз насекомого.

Камера состоит из 180 крошечных линз, у каждой из которых есть свой собственный фотодатчик. Это позволяет каждой из 180 микрокамер действовать автономно, в отличие от обычных камер. Если проводить аналогию с миром животных, то 1 микролинза – это 1 фасетка глаза мухи.

Далее данные в низком разрешении, полученные микрокамерами, поступают в процессор, где эти 180 маленьких картинок собираются в панораму, ширина которой соответствует углу обзора в 180 градусов. Камера не требует фокусировки, т.е. объекты, находящиеся близко, видно так же хорошо, как и объекты, находящиеся вдали. Форма камеры может быть не только полусферической.

Ей можно придать практически любую форму. . Все оптические элементы выполнены из эластичного полимера, который используют при изготовлении контактных линз.

Новое изобретение может найти широкое применение не только в системах охраны и наблюдения, но и в компьютерах нового поколения.

Следующая страница «Гадюки имеют инфракрасное зрение »

Назад в раздел «Достижения науки и техники»