借龙虾“慧眼”看世界
导语:美国国土安全部正在研发一种“龙虾眼”原理应用于X射线扫描仪的技术。

经济观察报 朱莉亚·雷顿/文 隐匿的炸弹,鬼祟的蟑螂,从海底潜行登陆的非法移民……与种种事物斗争的同时,科技也在不断发展。如今,美国国土安全部通过资助光学物理公司正在研发一种新扫描仪,研究人员努力将 “龙虾眼”原理应用于X射线扫描仪。一旦研究成功,在这套名为 “龙虾眼成像设备 (LEXID)”的新扫描仪探测下,即使是铜墙铁壁,也会通透如纸。

目前被广泛应用的X射线系统包括一台X射线发生器和一套探测媒介 (感光系统)。前者用于产生X射线——一种频谱范围比无线电声波和可见光更广的电磁能量。需要成像时,X射线打向受测物体。对于X射线,有些材料会吸收,有些则将它反射回去,还有一些在透射同时产生折射,感光系统看见的,正是这些穿透物体的射线。

这套系统并无问题,但不够理想。因为X射线在穿透物体时有多种折射角度,而感光系统收集射线、进行聚焦的效率很低,只能收集高能X射线来成像。这无疑又对安全性提出了挑战。

独具慧眼的龙虾

人类与其他动物的视觉系统都靠折射成像,但龙虾不同。

龙虾之所以能在混浊水体中视物,是因为靠反射视物,而非折射。这也是它的视觉系统最神奇的地方。龙虾的眼睛长在触角根部附近,里面有成千上万块方形晶体——和人类弯曲的视网膜与圆锥细胞截然不同,龙虾的感光系统由这些全部由平面与直角构成的晶体构成。这使得龙虾的眼睛可以反射入射角极低的光线 (或称小掠角光线),当龙虾捕捉某一物体 (如海床上的猎物)发出的反光时,所有入射光线反射角度保持一致,聚集在焦点上。

这种处理光线的方式非常独特,即使在龙虾所属的甲壳类中也绝无仅有。

说起来,仿制龙虾视觉系统也已不是新事:过去30年间,天文学家一直在研发以龙虾眼为原理的光学系统,最新的研究产品是一台名为 “龙虾ISS”的天文望远镜。这台望远镜可以将光投在暗物质上,并极大地拓宽了银河系外的探索范围。多亏这个美味的硬壳动物伸出援助之手,加上人类恰到好处的奇思妙想,或许不久的将来,我们就可以亲眼观察超新星和黑洞,探测银河系内外的 “邪恶外星人”。

完美再现

在 “龙虾眼成像设备 (LEX-ID)”中,龙虾的感光系统得到了完美再现。该成像设备包括一台低能X射线发生器和一套感光系统,后者由千万枚抛光度极高的金属片组成。X射线通过时,金属片将其反射、校准,再投向受测物体。经过金属片校准的光线角度固定,系统可以将其调整为平行光波,同一时间集中覆盖较小范围。这样,X射线的穿透性得以大幅提高。

和普通X射线系统不同,龙虾眼成像设备接收的,是物体反射回设备的X射线,而不是穿透物体的射线。感光系统收集这些回射射线,继而聚焦成像。这样的设备省去了收集各方位散射光线的麻烦。它能将所有反射光集中在一定区域内,因而提高了感应精确度,效率非凡。

在这样的工作效率下, “龙虾眼成像设备”可以轻松 “看透”水泥、木材和75毫米厚的钢板——虽然解析度仍不理想,图像分辨率也不够高,但用来探测货箱中的物品已经足够。另外,由于感光系统聚焦X射线时更加高效,达成同等成像水平能耗更小。这说明,比起现用系统,新设备用于探测人体时安全性更高,放射伤害更小。

下一个宠儿

目前,用于安检和国际货物扫描的设备体积非常庞大,无法随身携带。如果有一台手提式 “龙虾眼”,货物扫描难度将大大降低,人们也可以轻松检查过境卡车,或是探测战区路面车辆。

效率高,辐射伤害小,显然,龙虾眼成像设备将是下一个宠儿。致力于研发此类设备的光学物理公司希望可以将其应用于各个领域,而不仅是国土安全部的专利。

这种预计每台价格不会超过1万美元的扫描设备,可以成为巡查员或专业除虫队的好帮手,建筑工人也可以用它看清墙内结构,检查房屋地基。在此之前,那些考古学家花上好几个星期,终于挖进结构精巧的遗迹时,才发现里面根本没有他们孜孜以求的 “罗马陷落之谜”。有了 “龙虾眼成像设备”先行探测,这番周折完全可以省去。另外,特警队破门前,能够借此清楚看见建筑内的具体情况。同时,低耗高效的X射线技术也意味着,医院放射科终于可以对沉重无比的防辐射铅层说再见了。

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