零距離科學:仿生學之「超感官」

零距離科學:仿生學之「超感官」

我們想讓你知道的是

在本集《零距離科學》,大家能認識到一些動物的神奇器官,並且人類如何向牠們取經。

文:盧駿揚(香港中文大學通識教育基礎課程講師)

人類為了面對不同的環境、滿足不同的需要,所創造的機械往往是叫人嘖嘖稱奇的,但另一方面,其他物種雖未如人類一般擁有智慧,牠們的身體及器官卻因數以萬億年的演化而變得複雜精巧,甚至媲美人類精心製作的器械。進一步說,人類更可從其他物種身上獲取靈感,藉模仿帶來新發明,這就是「仿生學」(biomimicry)。在本集《零距離科學》,大家能認識到一些動物的神奇器官,並且人類如何向牠們取經。

其實仿生學並不是甚麼新鮮的事來——我們平常用的「魔術貼」就是靠模仿植物或種子上的毛刺而研發出來的,飛機的發明是受雀鳥雙翅所啟發,高速鐵路列車的尖咀流線型設計的靈感竟然是來自翠鳥的喙!不過生物的感官系統往往比牠們的外在結構更為複雜。假如我們不了解它們的運作原理,也無從模仿它們。不過近年科學家已逐步拆解出各種生物的感官系統結構及原理,因此我們也更能夠以仿生角度來造出更精巧的機械。

向「瀨尿蝦」取經

蝦蛄(Mantis Shrimp,香港人俗稱瀨尿蝦)是一種擁有神奇感官的生物。牠們的視覺非比尋常。讓我們以人類作為比較:人類擁有三原色視覺(trichromacy),因我們眼內有三種視稚細胞,它們對光譜的敏感度各有不同,有一種接收紅光較佳,另一種接收藍光較佳,最後腦部則會把不同的訊號混合處理,再形成我們所看見的顏色。

大家可以想像,假如有四種感光細胞,那麼既然多了一條頻道(channel),看到的色彩自然是大大增多了吧?沒錯,有些魚類及雀鳥是擁有四原色視覺(tetrachromacy)的,牠們的確能夠感受到一些我們無法感受的色彩。而蝦蛄眼睛的奇妙之處,就是在於牠們擁有十二原色視覺(dodecachromacy)。

這種能力源自於牠們眼部的結構。蝦蛄的視覺器官是複眼,這些複眼由上萬個「小眼」(ommatidium)所組成。在蝦蛄的眼球內,這些小眼可分成三大部分。大家可以把它想象成《寵物小精靈》的精靈球一般——有上半、下半、及中間的一條帶狀結構。

supernature_sensibility_9
蝦蛄的複眼分為三個部分——上半、下半、及中間帶狀區。

讓科學家最感興趣的就是中間的那部分,它稱為中間帶狀區(mid-band)。中間帶狀區是由平行排列的小眼所組成,可排成二至六行不等。那些擁有六行中間帶狀區的蝦蛄,其中第一至第四行小眼是用來感應顏色的。科學家從這些小眼當中發現出十二種感應不同光譜的感光細胞(photoreceptor),其中有些感光細胞更能感應紫外光(UV light)。

supernature_sensibility_10
蝦蛄是十二原色視覺者(dodecachromat),能夠看到比我們豐富得多的色彩。

此外,還有一點非常特別的,就是蝦蛄小眼內的感光細胞以一種獨特的方式整齊排列,產生出濾鏡的效果,讓牠們能夠感應偏光(polarized light)。對蝦蛄來說,感應偏光是非常重要的。當陽光以不同角度射進水裡時,它會產生不同的偏光模式,蝦蛄能藉感應偏光來獲取資訊,幫助牠在大海中導航。

supernature_sensibility_11
蝦蛄小眼中的感光細胞有著獨特的排列方式,形成了濾鏡,讓牠能夠感應偏光。

伊利諾大學厄巴納——香檳分校的電機工程學教授Viktor Gruev正正是向蝦蛄取經。他在2014年發表了一份研究,就是以模彷蝦蛄的小眼結構制作出高效能低耗電的偏光感應器,再以此感應器設計出水底定位系統。

supernature_sensibility_12
Viktor Gruev的研究團隊以蝦蛄的眼部結構為藍本,發明了一種能在水底靠偏光來定位的儀器。

向人眼學習?

除了蝦蛄,節目中還談及了另一種生物,他們的眼部也讓人們發明出新的感光機械。那生物就是我們人類自己!於近年逐漸普及的「事件導向型視覺感測器」(Event-based camera)正是由人類視覺系統獲取靈感而發明出來的。

一說到以機械複製眼睛功能,我們也許會立即想到攝錄機。雖然它的功能跟人眼相近——都是能夠擷取連續的影象,但兩者的原理卻是大大不同。

supernature_sensibility_13
人類的眼睛是非常精巧的器官。它能夠讓我們迅速獲取周遭的資訊。

在攝錄機的感光元件中,每一個象素都是按照共同的時間基準同時運作的。簡單來說,不少攝錄機是以25 fps (frame per second)來擷取影象,意思即是在每一秒內,感光元件中的每一象素都各自傳遞25次電子訊息至處理器。這種模式有一個明顯的缺點,就是當我們在攝錄一些快速的動作時,攝錄機未必能及時把動作影象中的所有資訊擷取。也就是說,會有資訊的流失。

supernature_sensibility_14
人眼是以類比訊號來傳遞資訊,是連續的。而攝錄機大多是以電子訊號來傳遞資訊,是離散(discrete)的。前者能夠更完整的保存資訊。

但人類的視覺系統並不是這樣。我們眼中的感光細胞並不是按照一個共同的時間基準同時運作的。它們也並不是照著每秒多少次的方式來接收、傳遞訊號。我們每一顆感光細胞都是長期、連續的接收著資訊,而且每當它感應到所接收的刺激(stimuli)有所不同時,就會立刻產生峰電位(spike),再把訊號傳遞至處理訊號的部位。因此感光細胞的訊號產生與傳遞是不同步的,是按照它所感知的改變而產生,這就是所謂的「事件導向」(event-based)。

這種感應模式的好處是高效而且迅速。高效是因為它的運作資源主力放在感應改變中的事物上,而不需多花資源在不變的部分上。譬如說,平常攝錄機在拍攝動態影像時,無論是不動的背景,或是移動中的物件,它也是以同等資源去處理的。但「事件導向」的感應器則只注意那移動的物件,在資源運用上自然是更為有利。

此外,人眼的感應模式並不受限於外在的時間基準。它既然是連續不斷的運作,也就是說並不需要每隔一段時間才接收資訊。這樣它便不會出現資訊流失的問題了。

節目中介紹了一個名為「Prophesee」的「事件導向型相機」,它就是參考了人眼的結構,把相機感光元件的每一象素當成是感光細胞,以連續不斷的、不同步的模式接收及傳遞資訊,令相機能夠以極高的速度擷取影象,讓它能獲取普通攝錄機不能得到的資訊。

supernature_sensibility_15
「事件導向型視覺感測器」參考了人眼的運作模式,也是以事件為基礎來獲取資訊。也就是說,當感光元件中的某一象素感受到改變時(i.e. 移動),它才會發出訊號。若沒有改變時,則不會發出訊號。就如上圖,當手掌在移動,感測器才會擷取了它的畫象;而那個人的身體因為沒有動,所以並不在畫面上出現。

這種新式感應器的應用層面非常大。譬如說,在設計無人駕駛汽車時,我們需要以各種視覺感應器來監測及判斷路面情況。這些判斷必需是迅速的,因道路上可能出現各式各樣的突發情況。當這些狀況出現時,哪怕只是慢了零點幾秒,這就可能就釀成車禍了。傳統的攝錄機是不足以應付這些情況的,而事件導向型視覺感測器在這些情況下便能大派用場了。

supernature_sensibility_16
事件導向型視覺感測器能夠高速擷取影像,不會像傳統相機般流失資訊,因此能夠做到一些傳統相機無法做到的事情,如快速點算流動中的物件數量。我們從上幅圖正正看到傳統相機的限制(拍攝那些正在移動中的小珠時,影像變得模糊)。

節目中更介紹了鵰鴞的視覺、蠶蛾及狗的嗅覺、蝴蝶的色彩等等,也談及了相關的新發明。大概我們還有不少地方能夠向大自然多多學習。

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31及31A播映。本集於7月31日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex