壁虎和許多其他動(dòng)物的頭部太小，無(wú)法按照我們的方式對(duì)噪聲位置進(jìn)行三角測(cè)量，耳朵間距很大。相反，他們的頭部有一條小隧道，用于測(cè)量入射聲波反射的方式，以確定它們來(lái)自哪個(gè)方向。

面對(duì)他們自己的小尺寸和三角測(cè)量問(wèn)題，斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)提出了一種類似的系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)入射光的角度。這樣的系統(tǒng)可以讓微型攝像機(jī)檢測(cè)光線來(lái)自哪里，但沒(méi)有大尺寸的大鏡頭。

“在你的照相機(jī)上制作一個(gè)小像素，表明光線來(lái)自這個(gè)或那個(gè)方向是很難的，因?yàn)槔硐肭闆r下，像素非常小 - 這些日子大約是頭發(fā)的1/100，”材料科學(xué)教授Mark Brongersma說(shuō)。 10月29日在Nature Nanotechnology上發(fā)表的關(guān)于該系統(tǒng)的論文的高級(jí)作者。“所以這就像兩只眼睛非常靠近，并試圖穿過(guò)它們，看看光線來(lái)自哪里。”

這些研究人員正在開(kāi)發(fā)能夠記錄光的許多特征的微小探測(cè)器，包括顏色，極性以及現(xiàn)在的光角。據(jù)他們所知，他們?cè)诒疚闹忻枋龅南到y(tǒng)是第一個(gè)證明可以用這么小的設(shè)置確定光的角度的系統(tǒng)。

“確定光線方向的典型方法是使用鏡頭。但這些很大，當(dāng)你收縮設(shè)備時(shí)沒(méi)有類似的機(jī)制，因此它比大多數(shù)細(xì)菌都要小，”電氣工程教授范善輝說(shuō)。該論文的共同作者。

更詳細(xì)的光檢測(cè)可以支持無(wú)鏡頭相機(jī)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和機(jī)器人視覺(jué)方面的進(jìn)步，這對(duì)自動(dòng)駕駛汽車非常重要。

從原子到壁虎

如果聲音不是直接來(lái)自壁虎的頂部，那么一個(gè)耳膜基本上會(huì)竊取一些聲波能量，否則這些能量會(huì)穿過(guò)另一個(gè)。這個(gè)推論有助于壁虎 - 以及大約15,000種具有類似隧道的動(dòng)物物種 - 了解聲音的來(lái)源。

研究人員在他們的光電探測(cè)器中模仿了這種結(jié)構(gòu)，它有兩根硅納米線 - 每根直徑大約100納米，或者大約是頭發(fā)的1/1000 - 彼此相鄰排列，就像壁虎的耳膜一樣。它們的位置非常接近，當(dāng)光波以一定角度進(jìn)入時(shí)，最靠近光源的導(dǎo)線會(huì)干擾撞擊其鄰居的波浪，基本上會(huì)產(chǎn)生陰影。然后，用于檢測(cè)光的第一根線將發(fā)送最強(qiáng)的電流。通過(guò)比較兩條線中的電流，研究人員可以繪制入射光波的角度。

壁虎并不是這個(gè)系統(tǒng)初步構(gòu)建的靈感來(lái)源。作為該論文的第一作者，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校電氣和計(jì)算機(jī)工程專業(yè)的研究生Soongyu Yi在工作開(kāi)始后，發(fā)現(xiàn)了他們的設(shè)計(jì)和壁虎之間的相似之處。他們都被深刻的相似性所驚訝。事實(shí)證明，解釋壁虎耳朵和這個(gè)光電探測(cè)器的相同數(shù)學(xué)描述了緊密排列的原子之間的干涉現(xiàn)象。

“在理論方面，看到很多基本干擾概念一直存在于一個(gè)可以實(shí)際使用的設(shè)備中的量子力學(xué)實(shí)際上非常有趣，”范說(shuō)。

一個(gè)長(zhǎng)期的承諾

這個(gè)項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)，該論文的一位合著者Yuongfu Yu是Fan實(shí)驗(yàn)室的一名學(xué)生，并主動(dòng)將他的工作與Brongersma及其實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)合起來(lái)。他們?nèi)〉昧诉M(jìn)展，但在Yu申請(qǐng)教職員職位的同時(shí)不得不暫停工作，隨后在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校建立了自己的實(shí)驗(yàn)室，現(xiàn)在他是電氣和計(jì)算機(jī)工程的助理教授，在他的實(shí)驗(yàn)室Soongyu Yi作品。

許多年后，在發(fā)布了當(dāng)前的概念驗(yàn)證之后，研究人員表示他們期待著在他們的成果基礎(chǔ)上再接再厲。接下來(lái)的步驟包括決定他們可能想要從光線測(cè)量的其他內(nèi)容，并將幾個(gè)納米線并排放置，看看他們是否可以構(gòu)建一個(gè)完整的成像系統(tǒng)，記錄他們一次感興趣的所有細(xì)節(jié)。

“我們已經(jīng)在這方面工作了很長(zhǎng)時(shí)間 - 在這個(gè)項(xiàng)目的開(kāi)始和結(jié)束之間，Zongfu有一個(gè)完整的生活故事!它表明我們沒(méi)有在質(zhì)量上妥協(xié)，”Brongersma說(shuō)。“認(rèn)為我們可能在這里待20年來(lái)發(fā)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的所有潛力是很有趣的。”