在我們的星球上，有許多物種的感官能力超過了人類。烏龜具有探測地球磁場的能力。螳螂蝦具有辨別偏振光的能力。大象能夠捕捉到比人耳能偵測到的聲音頻率低得多的聲音。蝴蝶能感知更多的顏色，包括紫外線（UV）。

伊利諾大學的研究人員從蝴蝶的紫外線視覺中獲得靈感，開發出一種成像感測器，能夠識別紫外線並區分癌細胞和健康細胞，準確率高達99%。這種創新感測器將過氧化物奈米晶體與矽技術相結合，有望應用於癌症手術和生物研究，並獲得了美國的大筆資助。生物啟發成像感測器上方的蝴蝶圖案。資料來源：伊利諾大學香檳分校Grainger 工程學院

受Papilio xuthus 蝴蝶增強視覺系統的啟發，一個研究小組開發出了一種成像感測器，能夠”看到”人眼無法看到的紫外線範圍。感測器的設計採用了堆疊光電二極體和過氧化物奈米晶體（PNC），能夠對紫外線範圍內的不同波長進行成像。利用生物醫學標記（如胺基酸）的光譜特徵，這種新型影像技術甚至能夠區分癌細胞和正常細胞，可信度高達99%。

這項由伊利諾大學香檳分校電機與電腦工程教授維克多-格魯耶夫（Viktor Gruev）和生物工程教授聶樹明領導的新研究最近發表在《科學進展》（Science Advances）雜誌上。

Gruev說：”蝴蝶能夠感知紫外線光譜中的多個區域，我們從蝴蝶的視覺系統中汲取了靈感，設計出了一款能夠複製這種功能的相機。我們透過使用新型的過氧化物奈米晶體，並結合矽成像技術來實現這一目標，這種新型相機技術可以探測多個紫外線區域。”

紫外線是波長比可見光短（但比X 射線長）的電磁輻射。我們最熟悉的是來自太陽的紫外線輻射及其對人體健康的危害。紫外線依不同的波長範圍分為三個不同的區域–UVA、UVB 和UVC。由於人類無法看到紫外線，因此捕捉紫外線訊息，尤其是分辨每個區域之間的細微差別具有挑戰性。

蝴蝶卻能看到紫外線光譜中的這些細微差別，就像人類能看到藍色和綠色的深淺。格魯耶夫指出：”我很好奇它們是如何看到這些微小變化的。紫外線是非常難以捕捉的，它會被所有東西吸收，而蝴蝶卻能做得非常好。”

人類的視覺是三基色的，有三個感光器，感知到的每一種顏色都可以由紅、綠、藍三種顏色組合而成。然而，蝴蝶的眼睛是複眼，有六個（或更多）感光器，對光譜的敏感度各不相同。特別是黃色的亞洲燕尾蝶Papilio xuthus，它不僅有藍色、綠色和紅色受體，還有紫色、紫外線和寬頻受體。此外，蝴蝶還具有螢光色素，可以將紫外線轉換為可見光，然後很容易被光感受器感知。這使它們能夠感知環境中更多的顏色和細節。

除了感光器數量的增加，蝴蝶的感光器也呈現出獨特的分層結構。為了複製Papilio xuthus 蝴蝶的紫外線感知機制，UIUC 團隊透過將一層薄薄的PNC 與矽光電二極體的分層陣列結合來模擬這個過程。

PNCs 是一類半導體奈米晶體，具有類似量子點的獨特性質，改變粒子的大小和組成就能改變材料的吸收和發射性質。在過去幾年中，PNCs 已成為太陽能電池和LED 等不同感測應用中的有趣材料。PNC 在探測紫外線（甚至更低）波長方面表現出色，而傳統的矽探測器卻無法做到這一點。在新型成像感測器中，PNC 層能夠吸收紫外線光子，並重新發出可見光（綠色）光譜，然後被分層矽光電二極體檢測到。對這些訊號進行處理後，就能繪製並辨識紫外線特徵。

與健康組織相比，癌症組織中存在著濃度較高的各種生物醫學標記物–胺基酸（蛋白質的組成成分）、蛋白質和酵素。在紫外線的激發下，這些標記物在紫外線和部分可見光譜中發光並發出螢光，這一過程稱為自發螢光。”紫外線區域的成像一直受到限制，我認為這是科學進步的最大障礙。現在，我們發明了這種技術，可以對紫外光進行高靈敏度成像，還能分辨微小的波長差異。”

由於癌細胞和健康細胞的標記物濃度不同，因此光譜特徵也不同，因此可以根據它們在紫外光譜中的螢光來區分這兩類細胞。研究團隊評估了他們的影像設備分辨癌症相關標記的能力，發現該設備能夠區分癌症細胞和健康細胞，置信度高達99%。

格魯耶夫、聶和他們的合作研究團隊設想能在手術中使用這種感測器。最大的挑戰之一就是知道要切除多少組織才能確保邊緣清晰，而這種感測器可以幫助外科醫生在切除癌症腫瘤時更容易做出決策。

“這種新的成像技術使我們能夠區分癌細胞和健康細胞，並開闢了健康領域以外的令人興奮的新應用，”聶說。除了蝴蝶之外，還有許多其他物種也能看到紫外線，有了探測紫外線的方法，生物學家就有了更多了解這些物種的有趣機會，例如它們的狩獵和交配習慣。將感測器置於水下也有助於更好地了解水下環境。雖然許多紫外線會被水吸收，但仍有足夠的紫外線會對水產生影響，而且水下有許多動物也能看到和利用紫外線。