眼睛的設計（七）

最新 07-09

第一部分視覺系統的設計

第二部分生物眼睛的設計

第三部分眼睛設計實例

A.植物的光感能力

植物想動物一樣，能夠感覺到陽光。植物的遺傳密碼能夠產生光子感測器使職務緩慢地向著對生長有利的方向調節。與移動的生物眼睛做比較，植物感光器官是比較天然的。他們對光的反應是通過打開和關閉花朵或者通過一些相同的動作。大多數植物對環境變化都有所回應。其中一種方法就是通過感知光，除根部和莖以外的部位含有接收到更多陽光的敏感細胞。因此，植物展現出它的智慧以及合適校正動作的能力。

儘管植物不像動物那樣擁有能分辨景物的眼睛，但是他們擁有很多真菌狀細胞，這些真菌狀細胞包含著感光色素。這些細胞控制著真菌孢子向著光強最大的方向生長。在圖3.1中展示的就是一般孢子的例子。

圖3.1外皮上真菌的分支花絲的例子

體型龐大的植物控制顏色抑制素來使植物朝著太陽的方向運動。因此對於植物來說，陽光是必不可少的部分，他們向著陽光生長以達到捕獲和充分利用它的目的。儘管植物能夠感知陽光，但是它們也不會像動物和昆蟲一樣有快速的反應。

1.草，簡單的葡萄樹和莖

草和葡萄樹都是擁有簡單感光能力的生命形式。在葡萄樹上生長的草和新莖會避開當光線垂直照射時的最大光強處。一些植物，像木棉樹，在夜晚能夠展開葉子來感光。通過用太陽光線來控制它們的生長方向，它能夠創造出形態各異的構造。

圖3.2莖

2.花

當花打開和關閉它們的翼瓣來回應光強的時候，這就表明光感器處於旺盛階段。一些植物，如向日葵，可以追隨者太陽的足跡。由於植物需要昆蟲來幫助授粉，它們必須在昆蟲活動頻繁的白天張開自己的花瓣。想木槿這樣的花，含羞草，垂花美人嬌以及其他的都有採用類似的方法。牽牛花也是類似的，但是它在白天會比較晚的關閉花瓣。通過感知長期的四季變化，花兒也能決定什麼時候生長什麼時候開花。

圖3.3a花

需要在藻類，灌木，樹等等上面再做更多的研究以達到了解植物感應器的光譜問題。動物和植物經常會產生特殊的彩色外衣其原理像干涉濾光片一樣。這種技術需要精確控制微米級厚度的薄膜來實現。同時也認為許多植物具有超越人類感知範圍的反射窄帶，用以吸引具有特殊拓展彩色視覺的某種動物。

B.低級動物的眼睛

與複雜動物眼睛相比，低級動物眼睛構造是極具創造性和千奇百怪的。它們包括所有從我們已經在第二部分討論過的分類中的眼睛及相應的變種。最簡單的低級動物眼睛的功能就是為了感知危險或者為食物採集來提供環境光強的顯示。對於大多數簡單的眼睛，這是它們主要的功能。一些簡單眼睛甚至是成簡單像的針孔光學原理。

1.扁蟲和其他蠕蟲

扁蟲具有非常簡單的眼睛。這種眼睛能夠提供帶有一定數量的成像探測器的小針孔光學系統。它的眼睛屬於最簡單眼睛。由於它的大腦太小，所以它甚至只有一個眼睛的這種說法看似矛盾其實也是有些道理的。因此與人眼相比，它的視覺影像處理能力是十分受粗糙圖像所限制的。蠕蟲在它們簡單的生活中不需要照相機形式眼睛，絛蟲不需要眼睛因為它們生活在其他動物的消化道中。

圖3.3b藍線蠕蟲

2.蛤蜊和扇貝

一些貝類的外殼結構內部有成排的小眼睛感測器,因此,必須開啟它的殼來看。蛤蜊的眼睛的設計與它的面積和大多數水產動物的眼睛相比，小而簡單。然而,它的眼睛採用彎曲凹面鏡的設計方法。相比扁蟲眼睛的針孔設計，這是相當先進的光學。半透明的視網膜上有凹鏡的蛤蜊,與扇形蟲相比是一種更有效眼睛。光學解析度為其提供更好的檢測然後閉上他們的外殼來防守敵人,流出的水使他們遠離危險。

扇貝的眼睛也使用光學反射鏡感測器為每一小塊視網膜採集光。他們的眼睛對運動或光線的變化很敏感。他們的一排排的眼睛最後是否形成一個完整同一的像？當感覺到有物體快速運動,它就關閉了它的殼進行保護。

圖3.4扇貝的眼睛

下圖我們來看看扇貝的眼睛的細節。

圖3.5扇貝眼睛的細節

3.鸚鵡螺

鸚鵡螺是一種有烏賊一樣的觸角的軟體動物。這是一個更好的具有中等解析度針孔光學眼的動物的例子。它為了要看到比較好質量的圖象要比相機類型的眼睛需要更多的光線。

由於鸚鵡螺的人能夠看到偏振光決定他們的航向,他們靠陽光導航。他們的視覺解析度可以和一些大型動物的眼睛和人造的視覺系統相比擬。由於鸚鵡螺需要複雜的控制進攻系統,它比那些像偏蟲一樣不複雜的動物需要更多的視覺信息。

圖3.6鸚鵡螺的眼睛

4.蝦

一些甲殼類動物,除了主要的眼睛外在他們的身體和尾巴也有光敏感測器，如蝦。蝦的眼睛顯得比許多像鸚鵡螺這樣的小動物更複雜。他們使用了多重小眼感受景像的特定部位。此外,他們使用反射疊加複眼光學的方法，這方法需要在他們小小的大腦里進行大量的圖像處理。有人可能會問為什麼蝦眼採用一個反射光學系統？

當他們更多的了解蝦獨特的角色,科學家將會發現答案（後續我們會推出龍蝦眼光學系統）。新的研究表明蝦眼是複雜的視覺系統，該系統有多種顏色感知能力，各種各樣的感光色素分布在它們的部分身體里。

圖3.7蝦眼

5．螃蟹

螃蟹的眼睛使用一些伴有折射和反射光學系統。他們需要一個獨特的視覺系統,因為他們有很多敵人去防禦。例如，一個馬蹄蟹能接收通過水的偏振光。因為這種能力可以感受到陽光的方向。古代三葉蟲的眼睛可以類似於現在的馬蹄蟹,非常早期歷史類似的化石都有這個功能。

帝王蟹在複眼上方有一個折射透鏡，以校正光學像差，並為複眼提供一定的保護。這是一個原始的生物的眼透鏡裝置，不可能是從不複雜的複眼自然選擇或基因突而產生的。

圖3.8a寄居蟹的眼睛

圖3.8b螃蟹的眼睛

6．章魚和烏賊

章魚有相當先進的相機類型的眼睛和一個活躍的有窄縫矩形虹膜。它的眼睛可以調焦近與遠的視力,但沒有明確的視野,就像人類一樣。這個聰明的動物需要調節焦點，視力的控制為控制攻擊,以及尋找食物,並且提防掠食者提供了保障。

霸王烏賊的眼睛是令人驚訝的發達,具有良好視力。因為巨人魷魚大約有180英尺長,它有世界上最大的生物的眼睛。它的眼睛大約是人的眼睛的100倍大。像許多眼睛,感光細胞指向光,而不是像我們一樣避開強光。其圖像處理超出許多人造機器人。這個眼睛既有寬視場角度和高解析度。它看對藍綠色的光線敏感,因為光線經過它的眼睛藍色素比其他顏色佔優勢。它的眼睛也能偵測偏振光決定陽光的方向。研究這樣的眼睛是很有趣的,但是很不容易捕獲到他們。現在我們進入一些小而簡單的陸基眼睛的版本。

圖3.9a巨型太平洋章魚的眼

圖3.9b章魚的眼

圖3.9c章魚的眼睛

圖3.9d章魚的眼睛

章魚眼睛瞳孔是一種非常有趣的狹縫，一個有趣的圖案（關於瞳孔以後我們會單獨撰文）。

7．蜘蛛

相比許多昆蟲的複合的眼睛，蜘蛛有簡單的眼睛。蜘蛛只有六隻眼睛沒有主要的眼睛。這些包括盲蜘蛛和許多織造蜘蛛。在有八隻眼睛的蜘蛛中，眼睛的數量並不一定能區分複雜性或定義更高級的視覺系統。例如，狼蛛有多種眼睛，有多種作用。提供了一些視覺則可以掃描提供外圍的視覺。眼睛信號傳輸給大腦去提供的周邊視覺，估計距離和形成圖像。蜘蛛沒有複雜的透鏡聚焦，但他們有多個眼睛在不同距離有不同的色感知，有些蜘蛛也能探測偏振光。有些蜘蛛的眼睛在一個方向上有一個狹窄的視場，但也可以通過移動眼睛在哪個方向上掃描。

他們視色素在紫外和綠光譜範圍。蜘蛛圖像處理令人驚嘆。他們的大腦在同一時間內處理不同角度尺寸的多個光學視場。它真的是太棒了,他們的較小的大腦進行複雜的圖像處理程度接近趨近武器或機器人系統中的複雜人造多感測器。

黑寡婦蜘蛛可能是一個真正的秘密武器，如果能在合理的人為成本控制。它有多個眼睛，固定的寬視野看到敵人，尋找食物，並在近距離做織網工作。大多數蜘蛛在遠距離視力不好。他們的眼睛像照相機眼，但他們不像現代照相機那樣聚焦。

一些蜘蛛非常低的光線下能看到,表現獨特的視覺能力。其中一個例子就是織網蜘蛛視覺分辨比跳蜘蛛大約2000倍。為了實現這一能力,它有八個眼睛。這些眼睛至少有一對的F數（焦距比入瞳（口徑））約為f / 0.58。這相當於一個非常快的快門鏡頭可以探測低照度的光。這是很難設計的。這實際上是一種接近相機眼睛的光學極限。

圖3.10a典型蜘蛛眼睛