Как стать автором
Обновить

Членимая калейдоскопическая сложность. Об устройстве и потенциале фасеточного глаза

Время на прочтение 7 мин
Количество просмотров 7.6K

Некоторое время назад я планировал разместить здесь откровенно антирелигиозную статью и пройтись по излюбленному примеру креационистов, связанному с нечленимой сложностью. Я хотел разобрать казус с отказом признавать эволюцию глаз, но обнаружил на Хабре превосходную статью Вячеслава Пуговкина @ra3vdx, в которой разобрана именно эта проблема. Поэтому я решил изменить акценты и развернуть не менее интересную тему: рассказать об устройстве и бионическом потенциале фасеточного глаза. Давайте об этом поговорим – и начну я, пожалуй, с ваятельницы Лин, главной героини гротескного романа, написанного Чайной Мьевилем.

Я всерьез заинтересовался устройством фасеточных глаз примерно летом-осенью 2013 года, когда прочел «Вокзал потерянных снов», первую книгу о городе Нью-Кробюзон, «странное фэнтези» Чайны Мьевиля. Его фантасмагорический город является редкостной пародией на родной Лондон, и писатель, не скрывающий свою бескомпромиссную марксистскую позицию, до отказа набивает сюжет обличением и сатирой гнилого мультикультурного общества, всяческого гендерного хаоса, полицейского государства, коррупции, наркомании и корыстного предательства. Повышенное внимание он уделяет приезжим, которых называет «ксениями». Именно к ксениям, а конкретно к расе хепри принадлежит Лин, муза и сожительница Айзека Гримнебулина — ученого-вольнодумца, уволенного из университета и пробавляющегося инженерным фрилансом.  

Как и положено хорошему фэнтези, книга Мьевиля заимствует причудливых существ из мифов. Хепри – это древнеегипетский бог восходящего солнца, у него отсутствует голова, а на ее месте находится огромный жук-скарабей:

Хепри
Хепри

Аналогичным строением обладает Лин:

В выпуклых зеркальных глазах Лин город представал в виде причудливой зрительной какофонии. Миллион мельчайших частиц целого; каждый малюсенький пятиугольный сегмент горел яркими разноцветными огнями и еще более яркими сполохами, невероятно чувствительный к световым градациям, однако слабо различающий детали, если только Лин не вглядывалась пристально, до легкой боли в глазах. Каждый из сегментов сам по себе не давал ей возможности различать мертвые отслаивающиеся чешуйки полуразрушенных стен, поскольку архитектурные сооружения сводились к простым цветовым пятнам. И все же она в точности знала, как они выглядят. Каждый видимый фрагмент, каждая часть, каждая форма и каждый оттенок цвета обладали каким‑то неуловимым отличием, что позволяло Лин судить о состоянии построек в целом...

Лин уже пыталась описать Айзеку свое видение города.

«Я вижу ясно, как и ты, даже яснее. Для тебя все недифференцированно. В одном углу – развалины трущоб, в другом – новенький поезд со сверкающими поршнями, в третьем – какая‑то тетка, намалеванная на брюхе старого грязно‑серого дирижабля... Тебе приходится воспринимать это как одну картинку. Жуткая каша! Никакого смысла, противоречит самому себе, сплошная путаница. Для меня каждая маленькая часть представляется как нечто целое, каждая хоть на малую толику отличается от соседней».

Очевидно, что описанное фасеточное зрение у разумного существа – допущение не менее смелое, чем замена головы на тело скарабея. Тем не менее, давайте разберемся, как устроены фасеточные глаза, и почему они оказались столь успешной эволюционной находкой для насекомых, паукообразных и ракообразных.

Устройство глаза

Человеческий глаз, по принципу которого работают многие оптические приборы (в английском языке даже встречается выражение «camera eye») – это прежде всего front-end сложного и крупного мозга. Нейрофизиологический потенциал мозга достаточен для многофакторной обработки изображений. Поэтому глаз, по сути, служит емкостью для зрительных клеток и содержит примерно 6 миллионов клеток-колбочек и 120 миллионов клеток-палочек. Глаз позвоночного обладает сравнительно узким полем обзора (поэтому зайцу, например, пришлось разнести глаза по бокам головы, чтобы это поле увеличить), при этом для нашего глаза характерна выдающаяся способность распознавания паттернов, которая вместе с бинокулярностью позволяет ориентироваться на местности, воспринимать перспективу, а также смотреть стереокартинки (я, кстати, не умею).

Фасеточный глаз насекомого устроен совершенно иначе. Он состоит из светочувствительных элементов-омматидиев, плотно прилегающих друг к другу по принципу сот. Количество омматидиев весьма отличается у разных видов насекомых: от 100 у рабочего муравья до 30 000 у стрекозы. Каждый омматидий действует независимо от остальных, поэтому фасеточному глазу свойственна избыточность: при повреждении части фасеток глаз остается функциональным. Ключевыми функциональными характеристиками человеческого глаза являются глубина и прозрачность, обеспечивающие преломление света. Кроме того, человеческий глаз имеет радужку, играющую роль фотографической диафрагмы, а также оснащен мышцами. Вся эта инфраструктура обеспечивает движение и аккомодацию глаза, а мозг отвечает за обработку, анализ и достраивание изображений.

Возможности насекомого значительно скромнее, поэтому поддерживать функционирование подобного глаза (а тем более, «беречь его как зеницу ока») насекомое бы не смогло. Глаз слишком тяжелый и энергозатратный орган. Поэтому эволюция предпочла максимально компактно уложить на выпуклой поверхности светочувствительные омматидии, и именно за счет выпуклости увеличить поле обзора. Кстати, Лин немного лукавит: разумеется, картинки от соседних омматидиев накладываются друг на друга и отчасти пересекаются.

При этом достоинства фасеточного глаза по сравнению с оптическим не ограничиваются шириной поля обзора. Фасеточный глаз отлично улавливает движение (поэтому так сложно прихлопнуть муху), а также направление, откуда идет свет. Например, человек различает максимум 20 вспышек света в секунду, а пчела – в десять раз больше.  Анатомически фасеточные глаза немного отличаются друг от друга и относятся к трем основным типам: аппозиционные (a), нейросуперпозиционные (b) и оптикосуперпозиционные, где последние, в свою очередь, подразделяются на рефлекторные (c), рефракторные (d) и параболические (e).

Проще всего устроен аппозиционный фасеточный глаз, вот как он работает:

На основании изложенного понятно, что насекомые в принципе близоруки: они неспособны сфокусироваться на предмете, а также не обладают зоркостью в привычном нам смысле. Фасеточный глаз рассмотрит предмет тем лучше, чем на большее количество омматидиев попадет свет, то есть, чем ближе к рассматриваемому предмету находится насекомое. Возможно, именно поэтому у насекомых так развито обоняние и феромонная коммуникация. Таким образом, насекомому важно не столько рассмотреть, сколько заметить что-либо.

Следовательно, фасеточный глаз оказывается не столько оптическим прибором, сколько матрицей датчиков/светочувствительных элементов. Давайте поговорим о некоторых бионических вариантах его использования.

Бионика на основе фасеточного глаза

Начнем с чисто энергетического примера. Речь о перовскитах, минералах на основе титаната кальция CaTiO3. В 2012 году они привлекли внимание ученых как новый перспективный материал для изготовления солнечных батарей. Дело в том, что перовскит преобразует солнечную энергию непосредственно в электрическую (заметно эффективнее, чем кремниевые ячейки), а также тонок, легок и компактен. При этом он очень нестоек механически. Оказалось, что ровный слой перовскита трескается и шелушится не только при механическом, но и при тепловом воздействии.

В 2017 году стэнфордские ученые соотнесли дизайн перовскитовой солнечной батареи с формой фасеточного глаза мухи. Они обратили внимание именно на вышеупомянутую избыточность фасеточного глаза, а также на шестиугольную укладку омматидиев наподобие сот:

В качестве каркаса (скаффолда), в который были помещены перовскитовые ячейки, применялась эпоксидная смола. Оказалось, что в тестовых условиях подобная батарея может генерировать электричество на протяжении полутора месяцев при температуре 85 °C – соответственно, подходит для размещения на крыше.

Но данный вариант применения фасеточной конфигурации связан сугубо с выработкой энергии, а нас более интересует сбор и анализ информации, то есть, фасеточные датчики. Вот еще одна схема, иллюстрирующая спектр зрения насекомых:

Многие предметы, которые кажутся нам белыми (например, лепестки цветов), на самом деле активно отражают в ультрафиолете, и такой ультрафиолетовый спектр удобен для различения мелких деталей ландшафта и ориентирования в них. В 2005 году в Австралии был спроектирован летательный аппарат весом всего 75 г и оснащенный фасеточной камерой для работы в ультрафиолетовом диапазоне; предполагалось, что он может пригодиться при исследовании Марса.

Другой выгодный вариант фасеточной миниатюризации связан с изготовлением тончайших медицинских зондов, функционально напоминающих как плоские, так и выпуклые фасеточные глаза. Тем не менее, для диагностической работы внутри тела пациента достаточно использовать плоские фасеточные сенсоры, где каждый омматидий достраивает общую картинку (поскольку прибор прилегает к исследуемой области практически вплотную).

Выпуклые искусственные фасеточные глаза используются для иных целей, в частности, для отслеживания движения в трех измерениях. Подобные сенсоры, нетребовательные к питанию, логично устанавливать на инсектоподобных роботах, предназначенных для картирования местности. Также искусственно созданы матрицы по 30 000 микролинз в каждой; как упоминалось выше, именно 30 000 фасеток насчитывается в одном глазу стрекозы. Всего одна такая матрица позволяет охватить поле зрения в 105°, а два сопряженных «стрекозиных глаза» охватывают уже поле в 180°. При этом, когда подобная камера оценивает движение в трех измерениях, относительная стандартная неопределенность не превышает 9%, а сама оценка производится по распределению отраженного света.

Особое достоинство фасеточных зрительных сенсоров заключается в том, что их можно сделать многоспектральными. В матрицу, построенную по принципу фасеточного глаза, можно поставить элементы, воспринимающие каждый свою часть спектра. Этот метод рациональнее традиционной дифракционной технологии с применением интерферометров, где поступающий свет приходится сначала разбирать на спектры, а затем собирать картинку обратно.

Наконец, в 2017 году удалось совместить в одном устройстве фасеточный и сетчаточный глаз:

В данном случае сочетаются сильные стороны фасеток и сетчатки: фасетки дают более обширную картинку, где изображения от разных микролинз частично перекрываются, а сетчатка дает изображение в том представлении, которое удобнее анализировать зрительным сенсором. Потенциально именно такая структура также решает проблемы расфокусированности и «близорукости» фасеточного глаза и позволяет совместить разрешающую способность оптического глаза и динамические аспекты, улавливаемые фасеточным.

Разумеется, мне интересно, какие из этих технологий найдут применение в создании настоящих бионических глаз, но не менее интересно услышать ваши версии о том, как именно могла видеть Лин.

Теги:
Хабы:
+24
Комментарии 13
Комментарии Комментарии 13

Публикации

Истории

Ближайшие события

Московский туристический хакатон
Дата 23 марта – 7 апреля
Место
Москва Онлайн
Геймтон «DatsEdenSpace» от DatsTeam
Дата 5 – 6 апреля
Время 17:00 – 20:00
Место
Онлайн