Des scientifiques suisses ont réussi à reproduire l'œil d'une mouche, appelé œil composé artificiel.
Les yeux composés, constitués de nombreux cônes étroits sensibles à la lumière appelés ommatidies, sont caractéristiques des insectes et des crustacés.
Ces yeux présentent un certain nombre d’avantages et d’inconvénients par rapport aux yeux humains. L'œil d'une mouche a une résolution inférieure à celle des yeux des vertébrés, c'est-à-dire que l'image capturée par cet œil ne sera pas claire. Et parmi les avantages, ils sont moins inertiels (certains insectes sont capables de percevoir un scintillement avec une fréquence allant jusqu'à 300 Hz), ne nécessitent pas de mise au point et peuvent distinguer non seulement la couleur, mais également la direction de polarisation de la lumière. En un mot, le tableau est rapide, varié, riche, mais pas clair. Une équipe de scientifiques de l'Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) a créé un prototype d'œil composé artificiel qui tire parti de cette conception.
La caméra est comme un œil de mouche (œil composé)
L’œil artificiel, que les scientifiques ont appelé CurvACE (CURVed Artificial Compound Eyes), se compose de 630 « ommatides », dont chacune est un élément sensible à la lumière et une microlentille qui concentre un étroit faisceau de lumière sur lui. L'œil a un angle de vision de 60 degrés verticalement et de 180 pouces. plan horizontal. Les angles de vision verticaux des différentes ommatidies sont déterminés par la forme des microlentilles, et l'angle horizontal est déterminé par la courbure du substrat sur lequel se trouve l'œil. Cette forme est dictée par la technologie de fabrication : les éléments photosensibles sont formés sur un cristal solide, qui est ensuite découpé en bandes étroites.
La caméra est comme un œil de mouche (œil composé) L'œil a un volume de seulement 2,2 centimètres cubes et pèse 1,75 gramme. Dans la production industrielle, le niveau technologique moderne permettra de réduire sa taille d'au moins la moitié. L’objectif principal de l’œil est de servir de système de navigation visuelle pour les robots. L'œil est très sensible et plage dynamique- chaque ommatidia peut s'adapter individuellement au niveau d'éclairage. Un tel œil ne peut pas être aveuglé par l’éclat du soleil. Combiné avec une vitesse élevée (le prototype peut produire jusqu'à 1 500 images par seconde), une petite taille, l'absence de distorsion aux bords du champ de vision et la capacité d'obtenir relativement facilement une vision panoramique, voire sphérique, cela en fait un outil idéal pour déterminer la position du robot dans l'espace, détecter les obstacles et éviter les collisions. Nous verrons probablement les premiers exemples de telles caméras sur des voitures autonomes et divers robots.
Les caractéristiques de CurvACE correspondent à peu près à l'œil de la mouche des fruits drosophile. Tout comme l'œil d'un insecte, contenant à l'intérieur un nœud nerveux qui réalise première transformation images, CurvACE comprend un microcontrôleur qui traite le signal des capteurs à l'aide d'algorithmes de flux optique, ainsi qu'un accéléromètre et un gyroscope.
En fait, le remplissage électronique est la plupart masse et volume de l'œil - le réseau de capteurs CMOS à microlentilles mesure 1 mm d'épaisseur et pèse 0,36 gramme. La possibilité de donner n'importe quelle forme à la caméra à facettes et l'absence de grands objectifs ouvrent de nombreuses possibilités : de tels « yeux » peuvent être intégrés aux murs des pièces, des vêtements ou des meubles pour être utilisés dans des systèmes de maison intelligente ou de vidéosurveillance. Combiner les ommatidies différents types Dans un seul capteur, vous pouvez créer une caméra qui verra simultanément dans différentes plages. Une sorte de prototype de l’œil qui voit tout, un nouveau malheur pour les paranoïaques et une trouvaille miraculeuse pour les services de renseignement.
Oeil d'insecte fort grossissement ressemble à un beau treillis.En effet, l’œil de l’insecte est composé de nombreux petits « yeux » appelés facettes. Les yeux des insectes sont appelés yeux composés. La petite facette de l’œil s’appelle une ommatidium. L'ommatidium a l'apparence d'un cône long et étroit dont la base est une lentille en forme d'hexagone. D’où le nom de l’œil composé : facette signifie « bord » en français.
Une touffe d’ommatidies constitue l’œil complexe et rond de l’insecte.
Chaque ommatidie a un champ de vision très limité : l'angle visuel des ommatidies dans la partie centrale de l'œil n'est que d'environ 1°, et sur les bords de l'œil - jusqu'à 3°. L'ommatidium « voit » uniquement la petite section de l'objet devant ses yeux vers laquelle elle est « dirigée », c'est-à-dire là où l'extension de son axe est dirigée. Mais comme les ommatidies sont étroitement adjacentes les unes aux autres et que leurs axes dans l'œil rond divergent de manière radiale, l'œil composé tout entier recouvre l'objet dans son ensemble. De plus, l’image de l’objet s’avère être une mosaïque, c’est-à-dire composée de pièces distinctes.
Le nombre d’ommatidies dans l’œil varie d’un insecte à l’autre. Une fourmi ouvrière n'a qu'environ 100 ommatidies dans ses yeux, une mouche domestique en a environ 4 000, une abeille ouvrière en a 5 000, les papillons en ont jusqu'à 17 000 et les libellules en ont jusqu'à 30 000 ! Ainsi, la vision de la fourmi est très médiocre, tandis que les yeux immenses de la libellule - deux hémisphères irisés - offrent le champ de vision maximum.
Du fait que les axes optiques des ommatidies divergent selon des angles de 1 à 6°, la clarté de l'image des insectes n'est pas très élevée : ils ne distinguent pas les petits détails. De plus, la plupart des insectes sont myopes : ils voient les objets environnants à quelques mètres seulement. Mais Yeux composés Ils sont excellents pour distinguer une lumière vacillante (clignotante) avec une fréquence allant jusqu'à 250 à 300 hertz (pour les humains, la fréquence maximale est d'environ 50 hertz). Les yeux des insectes sont capables de déterminer l'intensité du flux lumineux (luminosité), et en plus, ils ont une capacité unique : ils peuvent déterminer le plan de polarisation de la lumière. Cette capacité les aide à naviguer lorsque le soleil n'est pas visible dans le ciel*.
Les insectes distinguent les couleurs, mais pas du tout comme nous. Par exemple, les abeilles « ne connaissent pas » la couleur rouge et ne la distinguent pas du noir, mais elles nous perçoivent l'invisible. rayons ultraviolets, qui se situent à l’extrémité opposée du spectre. Le rayonnement ultraviolet est également détecté par certains papillons, fourmis et autres insectes. D'ailleurs, c'est la cécité des insectes pollinisateurs à l'égard de la couleur rouge qui explique le fait curieux que parmi notre flore sauvage, il n'y a pas de plantes à fleurs écarlates.
*La lumière provenant du soleil n'est pas polarisée, c'est-à-dire que ses photons ont une orientation arbitraire. Cependant, lorsqu'elle traverse l'atmosphère, la lumière est polarisée en raison de la diffusion par les molécules d'air, et le plan de sa polarisation est toujours dirigé vers le soleil.
En plus des yeux composés, les insectes ont trois autres ocelles simples d'un diamètre de 0,03 à 0,5 mm, situés en forme de triangle sur la surface fronto-pariétale de la tête. Ces yeux ne conviennent pas pour distinguer des objets et sont nécessaires à un objectif complètement différent. Ils mesurent le niveau d'éclairement moyen, qui sert de point de référence (« signal zéro ») lors du traitement des signaux visuels. Si vous fermez les yeux d'un insecte, il conserve la capacité de s'orienter spatialement, mais ne pourra voler que sous une lumière plus vive que d'habitude. La raison en est que les yeux scellés prennent le champ noir comme « niveau moyen » et donnent ainsi aux yeux composés une plage d'éclairage plus large, ce qui réduit en conséquence leur sensibilité.
Afficher tout
Chez les insectes supérieurs, les organes de vision ne sont pas de structure identique. Sur le front ou sur eux, il y en a trois simples (au milieu - , sur les côtés - latéraux), et sur les côtés il y a deux yeux composés complexes. On les retrouve chez les insectes adultes, ainsi que chez les insectes, et transmettent la plupart des informations visuelles reçues.
Structure générale des yeux
La plupart des insectes ont des yeux, et seul un nombre relativement restreint de taxons n’en ont pas. Par exemple, elles ne sont pas présentes chez certaines espèces primitives, ainsi que chez les fourmis errantes d'Ection. Dans la plupart des cas, les yeux sont présentés comme deux structures distinctes. Toutefois, par exemple, chez les libellules, ils sont si grands qu'ils convergent en une seule structure sur l'œil.
La forme des organes complexes de la vision est souvent proche de l'arrondi, mais dans certains cas, ils sont en forme de larme (comme une mante religieuse) ou de rein, car ils présentent une encoche sur laquelle « repose » l'antenne (comme l'épaisse saule Lamia textоr). Dans certains cas, l'encoche est si nette qu'elle sépare les parties supérieure et inférieure de l'œil, ce qui donne l'impression que l'insecte n'a pas deux yeux, mais quatre (un exemple est le coléoptère Tetrops praeusta). Parfois, les caractéristiques de la forme et de la taille des yeux sont déterminées par l'appartenance à un sexe ou à un autre. Ainsi, les hommes ont généralement plus yeux développés que les femelles, ce qui est particulièrement évident dans l’exemple des faux-bourdons et des abeilles ouvrières. Chez les taons, ils se touchent au milieu chez les mâles et ne se touchent pas chez les femelles.
Dans la partie inférieure, adjacente à la tête, chaque œil est limité par une membrane basale ou en forme de tamis. Dans celui-ci, selon le nombre d'ommatidies, il y a de nombreux trous à travers lesquels passent les fibres du nerf optique. Par eux, ils pénètrent dans l’œil, le transpercent et passent entre les deux. A la place de l'œil, elle forme une invagination assez profonde, formant la capsule oculaire, ou oculaire ; c'est la structure de soutien de l'œil.
Ommatidium en tant qu'unité structurelle de l'œil composé
Taille transversale(diamètre) des unités structurelles de l'œil diffère également, mais dans tous les cas, il est mesuré en microns. Le diamètre de la blatte est de 20 microns et celui de la blatte américaine est de 32 microns.
Les axes visuels des ommatidies doivent être approximativement perpendiculaires à la surface. Par conséquent, plus ils occupent d'espace, plus les yeux des insectes sont convexes. Cependant, la forte saillie des yeux ne parle pas tellement de bonne vue, combien environ grand champ examen, selon au moins, chez les espèces diurnes.
Structure détaillée Les ommatidies sont assez complexes et seront discutées en utilisant l’exemple d’un œil appositionnel typique (explication de ce terme dans la section suivante). Dans la structure de chaque unité d'yeux composés, il existe trois complexes fonctionnels de structures, ou trois appareils :
- dioptrique (réfractif)
Se compose de lentilles, réfracte et dirige la lumière.
- récepteur (percevoir)
Perçoit et transmet des informations visuelles.
- appareil d'isolation des pigments
Structure de l'ommatidium
Structure de l'ommatidium
1 - cornée, 2 - cellules cornéennes,
3 - cône de cristal, 4 - cellules Semper,
5 - cellules rétiniennes, 6 - bâtonnet optique,
7 - côté cellules pigmentaires,
8 - cellules pigmentaires rétiniennes,
9 - membrane basale
Ommatidies de l'appareil visuel
Appareil dioptrique
se compose des parties suivantes (de l’extérieur vers l’intérieur) : (photo)Appareil récepteur
comprend plusieurs autres composants :- Rétinien cellules- structures allongées situées sous le cône cristallin en forme de faisceau (5 par (photo) ).
- Tige optique (rhabdom)- une formation oblongue constituée de produits de sécrétion des cellules rétiniennes et située au centre de leur faisceau. En coupe transversale, la rhabdome et les cellules rétiniennes forment une image de « fleur », où la rhabdome occupe une position axiale, étant le « noyau », et les cellules rétiniennes sont situées autour d'elle, comme des pétales (6 sur (photo)).
- Nerfs optiques - les nerfs qui transmettent les informations au système nerveux central.
Appareil de pigmentation
l'isolement se compose de 3 formations :- Cellules cornéennes (pigment principal): les mêmes qui produisent la lentille. Ils sont remplis de pigment et isolent le cristallin des cornées des ommatidies voisines.
- Cellules pigmentaires accidentelles- isoler les uns des autres au niveau du cône cristallin (7 par (photo) ).
- Cellules pigmentaires rétiniennes- assurent la même fonction, mais inférieure, au niveau des cellules rétiniennes et tige optique(8 par (photo) ).
Oeil de neurosuperposition
De tels yeux se distinguent par le fait qu'ils contiennent une somme de signaux nerveux provenant d'une certaine partie des cellules visuelles, dont la lumière provient d'un seul endroit. Ce type d’œil se retrouve chez les mouches.
Vision des insectes
Dans les ommatidies voisines, les axes visuels sont très proches les uns des autres, ce qui donne aux insectes la capacité de mieux distinguer les points proches les uns des autres. De ce fait, leur acuité visuelle est environ 3 fois supérieure à celle des humains. Dans le même temps, à mesure que l’objet s’éloigne de l’œil, la vision se détériore ; Ainsi, les insectes selon les normes humaines, myope.
Un autre avantage des yeux composés est que de nombreuses ommatidies leur permettent de mieux suivre les objets scintillants et en mouvement rapide. Pour nous, une image continue sur l'écran se forme lorsque le film se déplace à 16 images par seconde, et pour les insectes - à 250-300. Cela leur donne un avantage en termes de vitesse.
Les insectes peuvent percevoir la polarisation de la lumière. Non seulement ils voient tous les objets en trois dimensions, mais ils distinguent des nuances subtiles et des teintes de couleurs inaccessibles. à l'oeil humain. La plupart des insectes ont une vision des couleurs ; seules les formes primitives vivant dans les grottes, le grand ver de farine et les termites ont une vision en noir et blanc. Les espèces herbivores volantes disposent d'un détecteur de lumière « réglé » pour percevoir dans le spectre ultraviolet, grâce auquel elles distinguent mieux les calices des fleurs depuis l'air.
Question « Combien d'yeux possède une mouche commune ? » n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Deux grands yeux situés sur les côtés de la tête sont visibles à l’œil nu. Mais en réalité, la structure des organes visuels de la mouche est bien plus complexe.
Si vous regardez une vue agrandie des yeux d'une mouche, vous pouvez voir qu'ils ressemblent à un nid d'abeille et sont constitués de nombreux segments individuels. Chaque partie a la forme d’un hexagone aux bords réguliers. C'est de là que vient le nom de cette structure oculaire – facette (« facette » traduit du français signifie « bord »). De nombreux arthropodes peuvent se vanter d'avoir des yeux à facettes complexes, et la mouche est loin de détenir le record du nombre de facettes : elle n'a que 4 000 facettes, alors que les libellules en ont environ 30 000.
Les cellules que nous voyons sont appelées ommatidies. Les ommatidies ont une forme conique dont l'extrémité étroite s'étend profondément dans l'œil. Le cône est constitué d'une cellule qui perçoit la lumière et d'un cristallin protégé par une cornée transparente. Toutes les ommatidies sont étroitement pressées les unes contre les autres et reliées par la cornée. Chacun d’eux voit « son » fragment de l’image, et le cerveau regroupe ces minuscules images en un tout.
La disposition des grands yeux composés est différente chez les mouches femelles et mâles. Chez les mâles, les yeux sont rapprochés, tandis que chez les femelles, ils sont plus espacés, car ils ont un front. Si vous regardez une mouche au microscope, au milieu de la tête, au-dessus des facettes des organes de la vision, vous pouvez voir trois petits points disposés en triangle. En fait, ces points sont de simples yeux.
Au total, la mouche a une paire d'yeux composés et trois simples - cinq au total. Pourquoi la nature a-t-elle emprunté un chemin si difficile ? Le fait est que la vision des facettes a été formée principalement dans le but de couvrir autant d'espace que possible avec le regard et de capturer le mouvement. Ces yeux remplissent des fonctions de base. Avec des yeux simples, la mouche était « prévue » pour mesurer le niveau d'éclairage. Les yeux composés sont le principal organe de la vision et les yeux simples sont un organe secondaire. Si une mouche n’avait pas d’yeux simples, elle serait plus lente et ne pourrait voler que sous une lumière vive, et sans yeux composés, elle deviendrait aveugle.
Comment une mouche voit-elle le monde qui l’entoure ?
Les grands yeux convexes permettent à la mouche de voir tout ce qui l'entoure, c'est-à-dire que l'angle visuel est de 360 degrés. C'est deux fois plus large que celui d'un humain. Les yeux immobiles de l'insecte regardent simultanément dans les quatre directions. Mais l’acuité visuelle d’une mouche est presque 100 fois inférieure à celle d’un humain !
Étant donné que chaque ommatidie est une cellule indépendante, l'image s'avère être un maillage composé de milliers de petites images individuelles qui se complètent. Ainsi, pour une mouche, le monde est un puzzle assemblé de plusieurs milliers de pièces, et de surcroît assez vague. L'insecte voit plus ou moins clairement à une distance de 40 à 70 centimètres seulement.
La mouche est capable de distinguer les couleurs et même la lumière polarisée et les ultraviolets invisibles à l’œil humain. L'œil de la mouche détecte les moindres changements dans la luminosité de la lumière. Elle est capable de voir le soleil caché par d'épais nuages. Mais dans l’obscurité, les mouches voient mal et mènent une vie essentiellement diurne.
Une autre capacité intéressante d’une mouche est sa réaction rapide au mouvement. Une mouche perçoit 10 fois un objet en mouvement plus rapide qu'un humain. Il « calcule » facilement la vitesse d’un objet. Cette capacité est vitale pour déterminer la distance jusqu'à la source du danger et s'obtient en « transmettant » l'image d'une cellule - les ommatidies - à une autre. Les ingénieurs aéronautiques ont profité de cette caractéristique de la vision de la mouche et ont développé un dispositif permettant de calculer la vitesse d'un avion en vol, répétant la structure de son œil.
Grâce à une perception si rapide, les mouches vivent dans une réalité plus lente que nous. Un mouvement qui dure une seconde, d'un point de vue humain, est perçu par une mouche comme une action de dix secondes. Les gens leur semblent sûrement des créatures très lentes. Le cerveau de l'insecte fonctionne à la vitesse d'un superordinateur, recevant une image, l'analysant et transmettant les commandes appropriées au corps en quelques millièmes de seconde. Il n’est donc pas toujours possible d’écraser une mouche.
Alors, la bonne réponse à la question « Combien d’yeux a une mouche ordinaire ? » le nombre sera cinq. Les principaux sont un organe apparié chez la mouche, comme chez de nombreux êtres vivants. Pourquoi la nature a-t-elle créé exactement trois yeux simples- Reste un mystère.
Au cours de l'évolution de la vision, certains animaux développent des instruments optiques. Ceux-ci incluent bien sûr les yeux composés. Ils se sont formés chez les insectes et les crustacés, certains arthropodes et invertébrés. En quoi un œil composé diffère-t-il d’un œil simple, quelles sont ses principales fonctions ? Nous en parlerons dans notre matériel d'aujourd'hui.
Yeux composés
Il s'agit d'un système optique, raster, où il n'y a pas une seule rétine. Et tous les récepteurs sont regroupés en petites rétinules (groupes), formant une couche convexe qui ne contient plus de terminaisons nerveuses. Ainsi, l'œil est constitué de nombreuses unités individuelles - les ommatidies, réunies en système commun vision.
Les yeux composés, qui leur sont inhérents, diffèrent des yeux binoculaires (inhérents également à l'homme) par leur mauvaise définition des petits détails. Mais ils sont capables de distinguer les fluctuations lumineuses (jusqu'à 300 Hz), alors que pour les humains, les capacités maximales sont de 50 Hz. Et la membrane de ce type d’œil a une structure tubulaire. Compte tenu de cela, les yeux à facettes n'ont pas de caractéristiques réfractives telles que l'hypermétropie ou la myopie ; le concept d'accommodation ne leur est pas applicable.
Quelques caractéristiques structurelles et visuelles
Chez de nombreux insectes, ils occupent la majeure partie de la tête et sont pratiquement immobiles. Par exemple, les yeux composés d’une libellule sont constitués de 30 000 particules formant une structure complexe. Les papillons ont 17 000 ommatidies, les mouches 4 000 et les abeilles 5. La fourmi ouvrière a le plus petit nombre de particules - 100 pièces.
Jumelles ou facettes ?
Le premier type de vision permet de percevoir le volume des objets, leurs petits détails, d'estimer la distance aux objets et leur localisation les uns par rapport aux autres. Cependant, les humains sont limités à un angle de 45 degrés. Si un examen plus complet est nécessaire, globe oculaire effectue un mouvement au niveau réflexe (ou on tourne la tête autour de l'axe). Les yeux composés en forme d'hémisphères avec ommatidies permettent de voir la réalité environnante de tous les côtés sans tourner les organes visuels ni la tête. De plus, l’image que véhicule l’œil ressemble beaucoup à une mosaïque : une unité structurelle de l’œil perçoit un élément distinct et, ensemble, elles sont chargées de recréer l’image complète.
Variétés
Les Ommatidies ont caractéristiques anatomiques, de sorte que leurs propriétés optiques diffèrent (par exemple, selon les insectes). Les scientifiques définissent trois types de facettes :
À propos, certains types d'insectes ont type mixte les organes de la vision à facettes, et beaucoup, en plus de ceux que nous considérons, ont également des yeux simples. Ainsi, chez une mouche, par exemple, sur les côtés de la tête se trouvent des organes à facettes appariés situés assez grandes tailles. Et sur la couronne se trouvent trois yeux simples qui remplissent des fonctions auxiliaires. L'abeille a la même organisation d'organes visuels, c'est-à-dire seulement cinq yeux !
Chez certains crustacés, les yeux composés semblent reposer sur des tiges mobiles.
Et certains amphibiens et poissons ont également un œil supplémentaire (pariétal), qui distingue la lumière, mais possède une vision des objets. Sa rétine est constituée uniquement de cellules et de récepteurs.
Développements scientifiques modernes
DANS Dernièrement Les yeux composés sont un sujet d'étude et de plaisir pour les scientifiques. Après tout, ces organes de vision, en raison de leur structure originale, constituent la base des inventions scientifiques et de la recherche dans le monde de l’optique moderne. Les principaux avantages sont une large vue d'ensemble de l'espace, le développement de facettes artificielles, utilisées principalement dans des systèmes de surveillance miniatures, compacts et secrets.
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