Šveicarijos mokslininkams pavyko atgaminti musės akį, vadinamąją dirbtinę sudėtinę akį.
Sudėtinės akys, susidedančios iš daugybės siaurų šviesai jautrių kūgių, vadinamų ommatidijomis, būdingos vabzdžiams ir vėžiagyviams.
Tokios akys turi nemažai privalumų ir trūkumų, palyginti su žmogaus akimis. Musės akies skiriamoji geba mažesnė nei stuburinių, tai yra, šios akies užfiksuotas vaizdas nebus aiškus. Ir tarp privalumų - jie yra mažiau inerciniai (kai kurie vabzdžiai sugeba suvokti mirgėjimą iki 300 Hz dažniu), nereikalauja fokusavimo ir gali atskirti ne tik spalvą, bet ir šviesos poliarizacijos kryptį. Trumpai tariant, vaizdas yra greitas, įvairus, turtingas, bet neaiškus. Mokslininkų komanda iš Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) sukūrė dirbtinės sudėtinės akies prototipą, kuris naudoja šį dizainą.
Kamera yra kaip musės akis (sudėtinė akis)
Dirbtinė akis, kurią mokslininkai pavadino CurvACE (CURVed Artificial Compound Eyes), susideda iš 630 „ommatidų“, kurių kiekvienas yra šviesai jautrus elementas ir mikrolęšis, fokusuojantis į ją siaurą šviesos spindulį. Akies matymo kampas yra 60 laipsnių vertikaliai ir 180 colių horizontali plokštuma. Įvairių ommatidijų vertikalūs matymo kampai nustatomi pagal mikrolęšių formą, o horizontalųjį – pagal substrato, ant kurio yra akis, įlinkį. Tokią formą padiktuoja gamybos technologija – šviesai jautrūs elementai formuojami ant vientiso kristalo, kuris vėliau supjaustomas siauromis juostelėmis.
Kamera yra kaip musės akis (sudėtinė akis) Akies tūris yra tik 2,2 kubinio centimetro ir sveria 1,75 gramo. Pramoninėje gamyboje šiuolaikinis technologijų lygis leis sumažinti jo dydį bent perpus. Pagrindinė akies paskirtis – kaip vaizdinė robotų navigacijos sistema. Akys yra labai jautrios ir dinaminis diapazonas- kiekviena ommatidija gali individualiai prisitaikyti prie apšvietimo lygio. Tokios akies negali apakinti saulės spindesys. Kartu su dideliu greičiu (prototipas gali sukurti iki 1500 kadrų per sekundę), mažo dydžio, iškraipymo trūkumo matymo lauko kraštuose ir galimybe palyginti lengvai pasiekti apskritą ar net sferinį vaizdą, tai daro jį idealus įrankis, leidžiantis nustatyti roboto padėtį erdvėje, aptikti kliūtis ir išvengti susidūrimo. Tikriausiai pirmuosius tokių kamerų pavyzdžius išvysime ant savarankiškai važiuojančių automobilių ir įvairių robotų.
CurvACE savybės maždaug atitinka vaisinės muselės Drosophila akį. Visai kaip vabzdžio akis, kurios viduje yra nervinis mazgas, kuris atlieka pirminis apdorojimas vaizdus, CurvACE apima mikrovaldiklį, kuris apdoroja signalą iš jutiklių, naudodamas optinio srauto algoritmus, taip pat akselerometrą ir giroskopą.
Tiesą sakant, elektroninis pildymas yra dauguma akies masė ir tūris – CMOS jutiklių masyvas su mikrolęšiais yra 1 mm storio ir sveria 0,36 gramo. Galimybė suteikti faset kamerai bet kokią formą ir didelių objektyvų nebuvimas atveria daug galimybių: tokias „akis“ galima įmontuoti į kambarių sienas, drabužius ar baldus, skirtus naudoti išmaniuosiuose namuose ar vaizdo stebėjimo sistemose. Ommatidijų derinimas skirtingi tipai Viename jutiklyje galite sukurti kamerą, kuri vienu metu matys skirtinguose diapazonuose. Tam tikras viską matančios akies prototipas, nauja nelaimė paranojikui ir stebuklingas radinys žvalgybos tarnyboms.
Vabzdžių akis didelis padidinimas atrodo kaip plona grotelė.Taip yra todėl, kad vabzdžio akis sudaro daugybė mažų „akių“, vadinamų briaunomis. Vabzdžių akys vadinamos sudėtinėmis akimis. Maža akies pusė vadinama ommatidiumi. Ommatidiumas atrodo kaip ilgas siauras kūgis, kurio pagrindas yra šešiakampio formos lęšis. Iš čia kilo sudėtinės akies pavadinimas: facette prancūziškai reiškia „kraštas“.
Ommatidijų kuokštas sudaro sudėtingą apvalią vabzdžio akį.
Kiekviena ommatidija turi labai ribotą matymo lauką: ommatidijos regėjimo kampas centrinėje akies dalyje yra tik apie 1°, o akies pakraščiuose – iki 3°. Ommatidiumas „mato“ tik tą mažytę objekto atkarpą prieš akis, į kurią jis „nukreiptas“, ty ten, kur nukreiptas jo ašies išplėtimas. Tačiau kadangi ommatidijos yra glaudžiai greta viena kitos, o jų ašys apvalioje akyje skiriasi radialiai, visa sudėtinė akis dengia objektą kaip visumą. Be to, objekto vaizdas pasirodo kaip mozaika, tai yra, sudarytas iš atskirų dalių.
Ommatidijų skaičius akyje skiriasi nuo vabzdžių iki vabzdžių. Skruzdės darbininkės akyje yra tik apie 100 ommatidijų, kambarinės musės – apie 4000, bitės darbininkės – 5000, drugelių – iki 17000, laumžirgių – iki 30000! Taigi, skruzdėlės regėjimas yra labai vidutiniškas, o laumžirgio akys – du vaivorykštiniai pusrutuliai – užtikrina maksimalų regėjimo lauką.
Dėl to, kad ommatidijų optinės ašys išsiskiria 1-6° kampais, vabzdžių vaizdo aiškumas nėra labai didelis: jie neskiria smulkių detalių. Be to, dauguma vabzdžių yra trumparegiai: mato aplinkinius objektus vos kelių metrų atstumu. Bet sudėtinės akys Jie puikiai skiria mirksinčią (mirksinčią) šviesą, kurios dažnis siekia iki 250–300 hercų (žmonėms maksimalus dažnis – apie 50 Hz). Vabzdžių akys geba nustatyti šviesos srauto intensyvumą (ryškumą), be to, turi unikalų gebėjimą: gali nustatyti šviesos poliarizacijos plokštumą. Šis gebėjimas padeda jiems naršyti, kai saulės danguje nematyti*.
Vabzdžiai skiria spalvas, bet visai ne taip, kaip mes. Pavyzdžiui, bitės „nepažįsta“ raudonos spalvos ir neskiria jos nuo juodos, bet suvokia mums nematomą. ultravioletiniai spinduliai, kurios yra priešingame spektro gale. Ultravioletinę spinduliuotę taip pat aptinka kai kurie drugeliai, skruzdėlės ir kiti vabzdžiai. Beje, būtent apdulkinančių vabzdžių aklumas raudonai spalvai paaiškina kuriozinį faktą, kad tarp mūsų laukinės floros nėra augalų raudonais žiedais.
*Iš saulės sklindanti šviesa nėra poliarizuota, tai yra, jos fotonai turi savavališką orientaciją. Tačiau prasiskverbdama pro atmosferą šviesa poliarizuojasi dėl oro molekulių sklaidos, o jos poliarizacijos plokštuma visada nukreipta į saulę.
Be sudėtinių akių, vabzdžiai turi dar tris paprastus 0,03–0,5 mm skersmens akis, kurios yra trikampio pavidalu priekiniame ir parietaliniame galvos paviršiuje. Šios akys netinka atskirti daiktus ir reikalingos visai kitam tikslui. Jie matuoja vidutinį apšvietimo lygį, kuris naudojamas kaip atskaitos taškas („nulio signalas“) apdorojant vaizdinius signalus. Jei šias vabzdžio akis užplombuosite, jis išsaugo galimybę orientuotis erdvėje, bet galės skristi tik esant ryškesnei nei įprastai šviesai. Taip yra dėl to, kad uždarytos akys juodąjį lauką laiko „vidutiniu lygiu“ ir taip suteikia sudėtinėms akims platesnį apšvietimo diapazoną, o tai atitinkamai sumažina jų jautrumą.
Rodyti viską
Aukštesniuose vabzdžiuose regėjimo organai nėra identiški. Ant kaktos arba ant jų yra trys paprastos (viduryje - , jos šonuose - šoninės), o šonuose dvi sudėtingos sudėtinės akys. Jie randami suaugusiems vabzdžiams, taip pat vabzdžiams ir perduoda didžiąją dalį gaunamos vaizdinės informacijos.
Bendra akių struktūra
Dauguma vabzdžių turi akis, o tik santykinai nedaug taksonų neturi. Pavyzdžiui, kai kuriose primityviose rūšyse jų nėra, taip pat klajojančiose Ection skruzdėlėse. Daugeliu atvejų akys pateikiamos kaip dvi atskiros struktūros, tačiau, pavyzdžiui, laumžirgiuose jos yra tokios didelės, kad susilieja į vieną akies struktūrą.
Sudėtingų regėjimo organų forma dažnai yra artima apvaliai, tačiau kai kuriais atvejais jie yra ašaros formos (kaip maldininkas) arba inksto formos, nes turi įpjovą, ant kurios „sėdi“ antena (kaip storas). gluosnio Lamia textоr). Kai kuriais atvejais įpjova būna tokia aštri, kad atskiria viena nuo kitos viršutinę ir apatinę akies dalis, todėl atrodo, kad vabzdys turi ne dvi akis, o keturias (pavyzdys – vabalas Tetrops praeusta). Kartais akių formos ir dydžio ypatybes lemia priklausymas vienai ar kitai lyčiai. Taigi vyrai paprastai turi daugiau išsivysčiusios akys nei patelės, o tai ypač akivaizdu tranų ir bičių darbininkių pavyzdyje. Arklienų patinuose jos liečiasi per vidurį, o patelių – nesiliečia.
Apatinėje dalyje, greta galvos, kiekvieną akį riboja bazinė arba sietelį primenanti membrana. Jame pagal ommatidijų skaičių yra daug skylių, pro kurias praeina regos nervo skaidulos. Per juos jie patenka į akį, perveria ją ir praeina tarp jų. Akies vietoje susidaro gana gili invaginacija, suformuojant akies kapsulę arba okuliarą; tai atraminė akies struktūra.
Ommatidis kaip sudėtinės akies struktūrinis vienetas
Skersinis dydis Akies struktūrinių vienetų (skersmuo) taip pat skiriasi, tačiau bet kuriuo atveju jis matuojamas mikronais. Tarakono skersmuo – 20 mikronų, o amerikietiško – 32 mikronai.
Ommatidijų regėjimo ašys turi būti maždaug statmenos paviršiui, todėl kuo daugiau vietos jos užima, tuo vabzdžių akys yra išgaubtos. Tačiau apie stiprų akių išsikišimą tiek daug nekalba geras regėjimas, kiek apie didelis laukas apžvalga, pasak bent jau, dieninėse rūšyse.
Išsami struktūra ommatidia yra gana sudėtinga ir bus aptarta naudojant tipiškos apozicinės akies pavyzdį (šio termino paaiškinimas kitame skyriuje). Kiekvieno sudėtinių akių vieneto struktūroje yra trys funkciniai struktūrų kompleksai arba trys aparatai:
- dioptrija (refrakcinė)
Susideda iš lęšių, laužia ir nukreipia šviesą.
- receptorius (suvokimas)
Suvokia ir perduoda vaizdinę informaciją.
- pigmento izoliavimo aparatai
Ommatidžio struktūra
Ommatidžio struktūra
1 - ragena, 2 - rageninės ląstelės,
3 - krištolo kūgis, 4 - Semper ląstelės,
5 - tinklainės ląstelės, 6 - optinis lazdelė,
7 - pusė pigmento ląstelės,
8 - tinklainės pigmentinės ląstelės,
9 - bazinė membrana
Regėjimo aparatas ommatidija
Dioptrijų aparatas
susideda iš šių dalių (iš išorės į vidų): (nuotrauka)Receptorių aparatas
apima dar keletą komponentų:- Tinklainė ląstelės- pailgos struktūros, esančios žemiau kristalinio kūgio sijos pavidalu (5 proc (nuotrauka) ).
- Optinis strypas (rabdomas)- pailgas darinys, susidedantis iš tinklainės ląstelių sekrecijos produktų ir esantis jų pluošto centre. Skersiniame pjūvyje rabbis ir tinklainės ląstelės sudaro „gėlės“ paveikslą, kur rabodas užima ašinę padėtį, būdamas „šerdis“, o tinklainės ląstelės yra aplink jį, kaip žiedlapiai (6 ant (nuotrauka)).
- Regos nervai - nervai, perduodantys informaciją į centrinę nervų sistemą.
Pigmentacijos aparatai
izoliacija susideda iš 3 formacijų:- Rageninės (pagrindinio pigmento) ląstelės: tie patys, kurie gamina objektyvą. Jie užpildyti pigmentu ir izoliuoja lęšį nuo kaimyninių ommatidijų ragenų.
- Atsitiktinės pigmentinės ląstelės- izoliuokite kiekvieną nuo kitų kristalinio kūgio lygyje (7 proc (nuotrauka) ).
- Tinklainės pigmentinės ląstelės- atlieka tą pačią funkciją, bet žemiau, tinklainės ląstelių lygyje ir optinis strypas(8 proc (nuotrauka) ).
Neurosuperpozicijos akis
Tokios akys išsiskiria tuo, kad jose yra sumuojami nerviniai signalai iš tam tikros regos ląstelių dalies, į kurią šviesa patenka iš vienos vietos. Šio tipo akys randamos musėse.
Vabzdžių regėjimas
Kaimyninėse ommatidijose regėjimo ašys yra labai arti viena kitos, o tai suteikia vabzdžiams galimybę geriau atskirti arti vienas kito esančius taškus. Dėl to jų regėjimo aštrumas yra maždaug 3 kartus didesnis nei žmonių. Tuo pačiu metu, objektui tolstant nuo akies, pablogėja regėjimas; Taigi, vabzdžiai pagal žmogiškuosius standartus, trumparegis.
Kitas sudėtinių akių privalumas yra tas, kad daugelis ommatidijų leidžia joms geriau sekti mirgančius ir greitai judančius objektus. Mums ištisinis vaizdas ekrane susidaro, kai plėvelė juda 16 kadrų per sekundę, o vabzdžiams – 250-300. Tai suteikia jiems pranašumą, kai kalbama apie greitį.
Vabzdžiai gali suvokti šviesos poliarizaciją. Jie ne tik mato visus objektus kaip trimačius, bet ir išskiria subtilius neprieinamus spalvų atspalvius ir atspalvius. žmogaus akiai. Dauguma vabzdžių turi spalvotą regėjimą; juodai baltą regėjimą turi tik primityvios urvuose gyvenančios formos, didieji miltų kirminai ir termitai. Skraidančios žolėdžių rūšys turi šviesos detektorių, „sureguliuotą“ suvokti ultravioletiniame spektre, todėl geriau atskiria gėlių taures nuo oro.
Klausimas "Kiek akių turi paprasta musė?" nėra taip paprasta, kaip atrodo. Plika akimi galima pamatyti dvi dideles akis, esančias galvos šonuose. Tačiau iš tikrųjų musės regėjimo organų struktūra yra daug sudėtingesnė.
Jei pažvelgsite į padidintą musės akių vaizdą, pamatysite, kad jos yra panašios į korius ir sudarytos iš daugybės atskirų segmentų. Kiekviena dalis yra šešiakampio formos su taisyklingais kraštais. Iš čia ir kilęs šios akies struktūros pavadinimas – facet („facette“ išvertus iš prancūzų kalbos reiškia „kraštas“). Daugelis nariuotakojų gali pasigirti sudėtingomis briaunuotomis akimis, o musė toli gražu nepasižymi briaunų skaičiaus rekordu: ji turi tik 4000 briaunų, o laumžirgiai - apie 30 000.
Ląstelės, kurias matome, vadinamos ommatidijomis. Ommatidijos yra kūgio formos, kurios siauras galas tęsiasi giliai į akį. Kūgis susideda iš ląstelės, kuri suvokia šviesą, ir lęšio, apsaugoto skaidria ragena. Visos ommatidijos yra glaudžiai prispaustos viena prie kitos ir sujungtos ragena. Kiekvienas iš jų mato „savo“ paveikslo fragmentą, o smegenys šiuos mažyčius vaizdus sujungia į vieną visumą.
Patelių ir patinų musių didelių sudėtinių akių išsidėstymas skiriasi. Patinų akys yra arti viena kitos, o patelių - labiau nutolusios viena nuo kitos, nes turi kaktą. Jei žiūrite į musę pro mikroskopą, galvos viduryje virš regėjimo organų galite pamatyti tris mažus taškelius, išdėstytus trikampyje. Tiesą sakant, šie taškai yra paprastos akys.
Iš viso musė turi vieną porą sudėtinių akių ir tris paprastas – iš viso penkias. Kodėl gamta pasuko tokiu sunkiu keliu? Faktas yra tas, kad facetinis matymas buvo suformuotas siekiant pirmiausia aprėpti kuo daugiau erdvės žvilgsniu ir užfiksuoti judesį. Tokios akys atlieka pagrindines funkcijas. Paprastomis akimis musė buvo „parūpinta“ išmatuoti apšvietimo lygį. Sudėtinės akys yra pagrindinis regėjimo organas, o paprastos akys yra antrinis organas. Jei musė neturėtų paprastų akių, ji būtų lėtesnė ir galėtų skristi tik ryškioje šviesoje, o be sudėtinių akių ji apaktų.
Kaip musė mato ją supantį pasaulį?
Didelės, išgaubtos akys leidžia musei matyti viską aplinkui, tai yra, regėjimo kampas yra 360 laipsnių. Tai dvigubai platesnė nei žmogaus. Nejudančios vabzdžio akys vienu metu žiūri į visas keturias puses. Tačiau musės regėjimo aštrumas yra beveik 100 kartų mažesnis nei žmogaus!
Kadangi kiekviena ommatidija yra nepriklausoma ląstelė, paveikslėlis pasirodo kaip tinklelis, susidedantis iš tūkstančių atskirų mažų vaizdų, kurie vienas kitą papildo. Todėl muselei pasaulis yra surinkta dėlionė, susidedanti iš kelių tūkstančių dalių, o tuo pačiu ir gana miglota. Vabzdys daugiau ar mažiau aiškiai mato tik 40–70 centimetrų atstumu.
Musė geba atskirti spalvas ir net poliarizuotą šviesą bei žmogaus akiai nematomą ultravioletinį spindulią. Musės akis pajunta menkiausius šviesos ryškumo pokyčius. Ji gali pamatyti saulę, paslėptą storų debesų. Tačiau tamsoje musės blogai mato ir dažniausiai gyvena kasdienį gyvenimo būdą.
Kitas įdomus musės gebėjimas – greita reakcija į judesius. Musė judantį objektą suvokia 10 kartų greičiau nei žmogus. Jis lengvai "apskaičiuoja" objekto greitį. Šis gebėjimas yra gyvybiškai svarbus norint nustatyti atstumą iki pavojaus šaltinio ir pasiekiamas „perduodant“ vaizdą iš vienos ląstelės – ommatidijos – į kitą. Aviacijos inžinieriai pasinaudojo šia musės regėjimo savybe ir sukūrė skrendančio orlaivio greičio skaičiavimo prietaisą, atkartojant jo akies struktūrą.
Tokio greito suvokimo dėka musės gyvena lėtesnėje realybėje nei mes. Judėjimą, kuris trunka sekundę, žmogaus požiūriu, musė suvokia kaip dešimties sekundžių veiksmą. Žinoma, žmonės jiems atrodo labai lėti padarai. Vabzdžio smegenys dirba superkompiuterio greičiu, priimdamos vaizdą, jį analizuodamos ir tūkstantosiomis sekundės dalimis perduoda kūnui atitinkamas komandas. Todėl ne visada pavyksta musę užmušti.
Taigi, teisingas atsakymas į klausimą „Kiek akių turi paprasta musė? skaičius bus penki. Pagrindiniai iš jų yra suporuotas organas musėje, kaip ir daugelyje gyvų būtybių. Kodėl gamta sukūrė būtent tris paprastos akys– lieka paslaptis.
Regėjimo evoliucijos metu kai kurie gyvūnai vystosi gana sudėtingai optiniai instrumentai. Tai, žinoma, apima sudėtines akis. Jie susiformavo tarp vabzdžių ir vėžiagyvių, kai kurių nariuotakojų ir bestuburių. Kuo sudėtinė akis skiriasi nuo paprastos akies, kokios jos pagrindinės funkcijos? Apie tai šiandien kalbėsime savo medžiagoje.
Sudėtos akys
Tai optinė sistema, rastras, kur nėra vienos tinklainės. Ir visi receptoriai yra sujungti į mažas tinklaines (grupes), suformuojant išgaubtą sluoksnį, kuriame nebėra jokių nervų galūnėlių. Taigi akis susideda iš daugybės atskirų vienetų – ommatidijų, susijungusių į bendra sistema regėjimas.
Joms būdingos sudėtinės akys skiriasi nuo žiūronų (būdingų ir žmonėms) tuo, kad prastai apibrėžia smulkias detales. Bet jie sugeba atskirti šviesos svyravimus (iki 300 Hz), o žmonėms maksimalios galimybės yra 50 Hz. Ir šio tipo akių membrana turi vamzdinę struktūrą. Atsižvelgiant į tai, facetinės akys neturi tokių refrakcijos požymių kaip toliaregystė ar trumparegystė, akomodacijos sąvoka joms netaikoma.
Kai kurios struktūros ir regėjimo ypatybės
Daugeliui vabzdžių jie užima didžiąją dalį galvos ir beveik nejuda. Pavyzdžiui, sudėtinės laumžirgio akys susideda iš 30 000 dalelių, kurios sudaro sudėtingą struktūrą. Drugeliai turi 17 000 ommatidijų, musės – 4 tūkst., bitės – 5. Skruzdėlė darbininkė turi mažiausiai dalelių – 100 vnt.
Žiūronas ar briauna?
Pirmojo tipo regėjimas leidžia suvokti objektų tūrį, smulkias jų detales, įvertinti atstumą iki objektų ir jų vietą vienas kito atžvilgiu. Tačiau žmonės apsiriboja 45 laipsnių kampu. Jei reikia išsamesnės peržiūros, akies obuolys atlieka judesius reflekso lygiu (arba pasukame galvą aplink ašį). Sudėtinės akys pusrutulių pavidalu su ommatidijomis leidžia pamatyti supančią tikrovę iš visų pusių, nesukant regos organų ar galvos. Be to, vaizdas, kurį perteikia akis, yra labai panašus į mozaiką: vienas akies struktūrinis vienetas suvokia atskirą elementą, o kartu jie yra atsakingi už viso vaizdo atkūrimą.
Veislės
Ommatidia turi anatominės ypatybės, dėl to skiriasi jų optinės savybės (pavyzdžiui, tarp skirtingų vabzdžių). Mokslininkai apibrėžia tris aspektų tipus:
Beje, kai kurios vabzdžių rūšys turi mišrus tipas matymo organai, o daugelis, be tų, kuriuos svarstome, turi ir paprastas akis. Taigi, pavyzdžiui, musėje galvos šonuose yra suporuoti briaunoti organai, esantys gana dideli dydžiai. O ant vainiko yra trys paprastos akys, atliekančios pagalbines funkcijas. Bitė turi tą pačią regos organų organizaciją - tai yra tik penkias akis!
Atrodo, kad kai kurių vėžiagyvių sudėtinės akys sėdi ant judančių stiebelių.
O kai kurie varliagyviai ir žuvys turi ir papildomą (parietalinę) akį, kuri skiria šviesą, bet turi objekto regėjimą. Jo tinklainę sudaro tik ląstelės ir receptoriai.
Šiuolaikinės mokslo raidos
IN Pastaruoju metu Sudėtinės akys yra mokslininkų tyrinėjimo ir džiaugsmo objektas. Juk tokie regėjimo organai dėl savo pirminės sandaros suteikia pagrindą moksliniams išradimams ir tyrimams šiuolaikinės optikos pasaulyje. Pagrindiniai privalumai – plati erdvės apžvalga, dirbtinių briaunų kūrimas, daugiausia naudojamas miniatiūrinėse, kompaktiškose, slaptose stebėjimo sistemose.
Įkeliama...