球形三酰神经

自然界中的生物视觉系统因其多样化的功能引人注目，尤其是具有非凡视觉能力的复眼系统，如宽阔的视场角和强大的运动跟踪能力，在机器视觉的实际应用中具有巨大的潜力。当前制造复眼系统通常采用可变形电子技术，然而该技术面临包括全局形变的复杂性、应力稳定性、几何限制、以及光学组件与探测器单元之间不匹配的潜在问题，因此开发一体化的人工复眼系统并将其集成到自主平台如机器人或无人机上实现特定的视觉功能极具挑战性。近期，香港科技大学范智勇教授团队开发了一种独特的针孔复眼（PHCE）系统，该系统集成了3D打印的蜂窝状光学结构和半球形的全固态高密度钙钛矿纳米线（PNA）光电探测器阵列。这种无透镜的针孔结构（PHA）可以根据底层图像传感器的需求，设计制备出任意布局。该团队通过对比光学模拟和成像结果验证了该视觉系统的关键特性和功能，包括超宽视场、精准的目标定位和运动跟踪能力。该团队进一步演示了PHCE系统在无人机上的功能集成，使其能够跟踪地面上的四足机器人。这种独特的空中-地面协作机器人互动展示了PHCE系统在未来多机器人协作和机器人群技术开发中的潜在应用前景。相关工作以“An ultrawide field-of-view pinhole compound eye using hemispherical nanowire array for robot vision”为题发表于国际顶级学术期刊《Science Robotics》，并当选当月封面文章。香港科技大学电子与计算机工程系博士后周宇、孙梽博和博士研究生丁宇宬为文章共同第一作者，香港科技大学电子与计算机工程系讲席教授范智勇为文章通讯作者。该工作得到了香港研究资助局项目、粤港澳联合实验室项目、科学探索奖以及中银香港科技创新奖的大力支持。图1. PHCE及其集成组件的示意图和图像。(A)PHCE整体结构示意图。(B)PHCE系统的剖视图。(C)半球形多孔氧化铝膜中钙钛矿纳米线的横截面电镜图像和宏观照片。(D)强盗蝇眼的宏观照片。(E)安装在印刷电路板上的PHCE系统的侧视照片。(F)相邻针孔单元的横截面示意图。(G) 不同小眼间角下针孔像素数量与整体视场角的相对关系。(H)单个针孔和针孔阵列角度依赖的归一化强度分布。要点：研究者受到昆虫（例如强盗蝇）复眼独特几何结构的启发，设计了蜂窝状的针孔阵列，通过光学计算和模拟仿真优化了有限像素数下的接受角Δφ、小眼间角ΔΦ，确定了对应针孔的最佳长度直径比，可以消除相邻小眼之间的盲区并减少光效率损失。研究者使用摩方精密面投影微立体（PμSL）光刻3D打印技术（nanoArch® P140，精度：10 μm）制备了对应几何参数的针孔阵列，并与半球壳的凸面共形，原料为光敏树脂。由于高打印自由度和简化的结构，上述针孔阵列的参数可以很好地设计和协调，以满足对应图像传感器的需求。图2. 钙钛矿纳米线光电探测器的性能。(A)多孔氧化铝膜中不同钙钛矿纳米线的光致发光光谱。(B)不同组分钙钛矿纳米线的X射线衍射光谱。(C)单像素纳米线光电探测器各部分能级关系。(D)单像素探测器的时间依赖开/关光响应。(E)单像素光电探测器的光强依赖光电流密度和响应度。(F)未封装单像素光电探测器的工作稳定性。要点：钙钛矿纳米线是在氧化铝纳米通道内以铅纳米线作为前驱体之一生长的，未完全消耗的铅与钙钛矿形成接触，在除去基底后，通过热蒸镀的方式制备凹球面的铟电极，研究者使用PμSL 3D打印技术制备了与半球壳凹面共形的掩膜版。氧化铝多孔结构为钙钛矿材料提供了天然的封装，提高了器件的工作性能。通过调节钙钛矿中的卤素和金属元素，PNA光电探测器感测区域可以从可见拓展到近红外。在弱光下，探测器的响应度可达到2.9 A/W，随着光照强度的增加，光电流增加而响应度减小。此外，未封装的器件在常规环境中存放 10 个月后，仍保持超过80%的原始光电流数值。图3. PHCE系统的成像能力。(A)测量装置的示意图。(B)半球形成像系统的视场测量。(C)捕获的圆形图案图像。(D)捕获的十字和三角图案图像。要点：研究者集成了由121个小眼构成的单目复眼系统，半球形的几何结构赋予整个系统约140°的大视场角。PHCE系统能够在广阔的视场内成像。由聚光灯生成的圆形、十字和三角图案可以被PHCE系统准确捕获并成功识别。上述实验成像效果与模拟仿真结果高度吻合。图4. PHCE系统的目标定位和无人机运动跟踪。(A)包含两个 PHCE 的双目视觉系统照片。(B)双目视觉系统的工作原理。(C)在3D空间中移动点光源的空间位置和生成的移动路径。(D)无人机运动跟踪的工作原理。(E)安装在无人机上的PHCE照片。(F)-(H)光源和无人机移动期间的相对位置照片以及由无人机上的PHCE捕获的相应图像。要点：为了精确定位点光源在3D空间移动轨迹，研究者进一步构建了基于一对PHCE（分别具有37个小眼）的双目复眼系统，其中两个PHCE之间的角度固定为60°，整体视场增加到220°。双目系统可将整个区域可以分为三部分，即盲区、运动检测区和精确定位区。双目复眼捕获运动光源在不同位置的图像，研究者可以解析这些位置并重建其在3D空间中的运动轨迹。由于PHCE系统出色的角度选择性，研究者进一步将其安装在可编程的商业无人机上，实现了对载有点光源的四足机器人运动的实时定位和追踪。综上所述，受到昆虫复眼系统的启发，研究者设计并制造了一种独特的针孔复眼系统，具有广阔的视场、精确的目标定位和动态运动跟踪能力。通过进一步改进和技术升级，包括缩小设备尺寸、增加小眼数量、提高成像分辨率和响应速度，该复眼系统有望实现在智能光电传感和机器人技术领域的广泛应用。

2013 年，佛罗里达大学的研究团队曾经在《科学》（Science）杂志上发表文章，通过一种栉水母（Mnemiopsis leidyi）的基因组撼动了进化树的根基，那篇文章一经发表就引起了热议。现在，他们又在《自然》（Nature）杂志上发布了另一种栉水母的基因组草图，再次验证了自己的观点。论文资深作者、佛罗里达大学的神经科学家 Leonid Moroz 表示：“栉水母（ctenophore）就像是来到地球的外星人。”它们通过特殊的纤毛在海洋中游动，看起来就像是迪厅的球形灯。它们通过粘乎乎的触手捕获食物。Moroz 和他的团队对太平洋侧腕水母（Pleurobrachia bachei）进行了基因组测序，他们发现栉水母拥有独一无二的神经系统。其他动物共用许多与免疫、发育和神经功能有关的基因家族，但栉水母完全不具备这些基因。这不仅令栉水母更加神秘，也再次证实栉水母是独立演化出自己的神经系统。栉水母一直令分类学家们头疼不已。它们和水母看起来很相似，曾经被视为刺胞动物（包括水母）的姐妹群（Sister group）。也有人将栉水母放在缺乏神经系统的扁盘动物和海绵之后，因为栉水母具有能够检测光、感知猎物和移动肌肉组织的神经系统。Moroz 认为，栉水母与所有动物的共同祖先是近亲。他在 2013 年的《Science》论文中提出，神经系统出现了两次各自独立的演化，栉水母的神经系统演化与其他动物完全不同。现在，P. bachei 基因组分析为这一观点提供了有力的支持。研究显示，P. bachei 基因组不仅缺乏其他动物的共有基因，而且不具备调控基因表达的 microRNA。此外，栉水母的神经系统还缺乏普通神经系统中的标准组分。 其他动物的神经系统都使用同样的十种主要神经递质，而太平洋侧腕水母则只用了其中的一两个。 Moroz 推测，这种生物可能使用了其他未知分子来完善神经系统，例如特殊的蛋白激素等。栉水母的上述独特性质，让研究团队确信它的神经系统演化独立于其他动物，大约在五亿年前从进化树上分支开。Moroz 表示：“人们总认为复杂的神经系统不可能进化两次，但这一事件的确发生了。”神经系统在不同动物分支中演化两次的观点，一直令慕尼黑大学的进化生物学家 Gert W?rheide 着迷。不过他并不认同 Moroz 等人给栉水母安排的进化位置，他认为所有动物的共同祖先可能与栉水母没什么关系。P. bachei 的神经系统也可能是后来发生的某种适应性改变，他说。“我认为现在断言栉水母在进化树中的地位还为时过早。”

我们选择配有电子能量损失谱的高分辨透射电子显微镜和原位微区二次离子质谱来开展研究。侧重微观尺度的矿物结构和化学成分两方面紧密结合来研究月球样品，这是我们区别于国内其他研究单位的主要特点。　　——夏小平 中国科学院广州地球化学研究所研究员　　形如米粒般大小的几块毫不起眼的黑色石头，以及一小点黑色粉末，此刻被研究人员珍藏在3个透明小瓶子里，放进实验室的手套箱内，手套箱内充满氮气，保护小石头和粉末不被空气污染。　　这可不是一般的小石头和粉末，它们是珍贵的“天外来客”。7月12日，国家航天局探月与航天工程中心在北京国家天文台举行嫦娥五号任务第一批月球科研样品发放仪式，13家科研机构成为首批开展嫦娥五号月球科研样品研究的单位。中国科学院广州地球化学研究所（以下简称广州地化所）获得了3份嫦娥五号月球样品，包括1份月壤粉末样品和2份岩屑样品。　　月球形成的真相是什么？对嫦娥五号月球样品展开研究，是否可以找到月壤的特殊矿物组成和化学成分？带着这些疑问，广州地化所的研究团队将开启月壤研究之旅。　　研究不会损耗样品可以原样返回　　1972年，美国尼克松总统访华时，赠送给我国1克月球样品。其中一半用于展览，一半被科学家拿来进行研究，广州地化所正是我国最早一批开展月壤研究的科研单位之一。　　“美国的月壤样品采自6个登月点，苏联的则采自3个登月点。我国嫦娥五号选取的采样点与美国、苏联都不同，不同区域取得的样品有着不一样的地质背景。”广州地化所研究员朱建喜说。　　据了解，嫦娥五号采样点附近的火山活动更为活跃，持续时间也更长，是研究月球内部能量衰竭，以及更加全面了解月球地质演化历史的理想地点。这意味着，针对嫦娥五号月球样品的研究将有可能获得与以往不一样的研究结果，对人类进一步认识月球具有独特的科研价值，也将会为预测地球未来的命运提供重要的科研资料。　　目前，还没有任何国家采集到过月球内部的基岩，此前所采的月球样品均来自覆盖在月球表面的碎石头。　　“月球上没有水和空气，白天温度高达100多摄氏度，晚上又骤降至零下200多摄氏度，巨大的昼夜温差使得月球岩石极易崩解，因此在月球表层有很多碎石头。”朱建喜介绍。此外，40多亿年来，大量陨石不断撞击月球，也将月球岩石撞得粉碎，“制造”了大量碎石。　　广州地化所研究员夏小平表示，总体来说，月壤与地球上的土壤不一样，一般颗粒都非常细小，“我们研究团队获得的3份嫦娥五号月球样品主要由辉石、橄榄石和长石等矿物组成。粉末样品重量是100毫克，其他2份岩屑样品重量分别是60.5毫克和137.3毫克”。　　围绕这些月球样品，广州地化所研究团队将重点开展两方面的研究工作，一方面探寻月壤是如何形成的，另一方面则从这些样品中探求能够揭示月球演化过程的重要线索。　　月球样品数量如此少，是否足够研究所用呢？“以小见大，见微知著。研究一座山的物质构成，不需要把整座山都搬到实验室来，只需从山上采集有代表性的石头就可以。”朱建喜用了一个形象的比喻来回答。　　“嫦娥五号月球样品来之不易，十分珍贵。”夏小平表示，“我们的研究原则是尽量保持样品的完整性，基本不会损耗样品，几乎可以原样返回，有利于未来进一步的研究分析，发挥这些珍贵样品的最大价值。”　　两大“利器”助力微观尺度研究　　对于如何开展研究，夏小平表示：“我们主要选择无损或者微损的样品分析手段——配有电子能量损失谱的高分辨透射电子显微镜和原位微区二次离子质谱来开展研究。侧重微观尺度的矿物结构和化学成分两方面紧密结合来研究月球样品，这是我们区别于国内其他研究单位的主要特点。”　　月球表面的一个重要特点是具有广泛分布、厚度达几十到数百米的细粒月壤。美国阿波罗计划采集的样品表明，这些月壤粒径大多只有0.1—0.4微米，多数比我们平时关注的PM2.5还要小很多。　　“据我们初步了解，我国嫦娥五号月球样品比阿波罗样品还要更加细小，是什么因素导致了月壤具有这种极为细粒的形态？如此细粒的月壤究竟由什么特殊的矿物组成？嫦娥五号月球样品记录了怎样的月球表面环境演化历史？这些都是我们想回答的科学问题。”朱建喜说。　　他表示，团队将通过研究月球样品的纳米矿物学特征，考察宇宙射线侵蚀的强度以及撞击成因矿物的组合、形貌、形变特征和期次，找寻高压矿物、含铀矿物，采用同位素定年和热释光定年等方法来揭示撞击温度、压力演化历史，讨论它们能否反映月球演化历程以及这些因素对月壤形成的影响。　　探寻月球形成和演化过程　　关于月球的形成，目前科学界广泛认可的是大撞击假说。大撞击假说认为月球是地球被一个外来天体撞击熔融后分离出去一部分物质凝结形成的。提出这个假说的主要证据是地球和月球两者相似的三氧同位素组成，以及阿波罗样品普遍缺乏挥发份。　　“大撞击假说认为撞击产生的高温导致挥发性元素大多丢失，挥发份极度亏损。10多年前，科学家基本都认为月球的内部和表面不存在水，非常干燥。但近年来的月球探测已表明，月球的内部和表面都存在一定量的水。”夏小平说。　　研究表明，一些月球矿物含有结构水，月球的北极还发现了水冰，月球陨石坑即使在阳光照射下也有自由水的红外光谱。因此月球到底是干的还是湿的，目前仍争论不休，这也影响到大撞击假说是否成立。　　“从月壤样品中探求月球的形成和演化过程是我们的研究方向之一。我们计划用原位微区二次离子质谱法测定样品的挥发份和挥发性元素的含量以及同位素组成。”夏小平阐释道，“大撞击模型推测月球的挥发性元素会变成气体逃逸出月球，氢和惰性气体应该完全丢失。我们将对样品中辉石、长石、橄榄石以及磷灰石等矿物进行挥发份含量和同位素测试，以讨论岩浆演化、去气等过程对我们观察到的月球样品挥发份含量的影响。”　　原位微区二次离子质谱法是目前行星科学测定样品元素和同位素组成最先进的分析方法。广州地化所是国内为数不多拥有大型二次离子质谱仪的科研单位之一，对挥发份元素的分析研究是其特长所在。该所自主研发的分析方法将该仪器测试水含量的背景值降低到百万分之一，达到了世界同类实验室的先进水平。　　夏小平进一步介绍，岩浆演化可以导致挥发份富集从而使科研人员高估月球本身的水含量，去气作用会导致挥发份在月球表面后期丢失，从而使科研人员低估月球本身的水含量。通过原位微区剖面挥发份含量和同位素的同时分析可以识别这些作用的影响。另外，结合同位素分析还可以识别月球形成后陨石撞击、太阳风和地球风带来的外来水的影响。　　同时，团队还将着重研究月球样品里的金属小颗粒，通过研究金属小颗粒里的三氧同位素组成成分，寻找太阳系原始星云的同位素组成。