Бионика: Электрическое зрение в мутной воде

Зоологи из Боннского университета разработали специальную камеру для работы в мутной, тёмной воде, например, в канализационной трубе или замутнённом озере. Устройство создано по образцу африканской рыбы-слона (Gnathonemus petersii) и предоставляет «электрические изображения» с «электрическими цветами». Исследование опубликовано в журнале Bioinspiration & Biomimetics.

Рыба-слон ведёт ночной образ жизни и для охоты использует не зрение, а активную электролокацию. С помощью электрического органа в хвосте она генерирует короткие импульсы до 80 раз в секунду. Электрорецепторы в коже, особенно на хоботковидном подбородке, измеряют, как эти импульсы модулируются окружающей средой. Это позволяет рыбе оценивать расстояния, воспринимать формы и материалы, а также различать живые и неживые объекты.

Исследователи под руководством профессора доктора Герхарда фон дер Эмде из Института зоологии Боннского университета много лет изучают этот необычный электро-орган. Рыба использует два типа электрорецепторов: один измеряет интенсивность сигнала, другой — форму импульса. Соотношение этих двух показателей создаёт «электрические цвета», аналогичные визуальным цветам, воспринимаемым человеческим глазом, но на основе электрических сигналов.

На основе этих фундаментальных знаний учёные создали первый прототип «бионической» электрической камеры. Как и рыба-слон, камера генерирует вокруг себя слабое электрическое поле и захватывает электрические изображения объектов с помощью нескольких датчиков (электродов) на своей поверхности.

В ходе испытаний камера измеряла и характеризовала различные природные объекты (рыбы, растения, дерево) и искусственные тестовые объекты (сферы или стержни из алюминия или пластика). Для анализа использовались те же параметры, что и у рыбы-слона. Например, расстояние до объекта определялось по степени размытия изображения.

Живые объекты производят разные электрические цвета

Анимированные объекты, такие как рыбы и растения, производили разные «электрические цвета», что соответствует тому, как их распознаёт электрическая рыба. Дополнительные оценки показали, что электрические изображения также можно использовать для определения «электрических контуров» объектов, которые, подобно оптическим контурам, могут предоставлять информацию о форме и ориентации.

В отличие от визуальных измерений, все эти параметры электрического изображения не зависят от мутной или тёмной среды. Там, где обычные глаза или камеры терпят неудачу, электрическая камера обеспечивает ясный обзор.

Результаты исследования показывают, что бионические методы могут быть использованы для разработки новых электрических камерных систем. Они могут облегчить, например, роботизированный или дронный осмотр в мутных водах. Учёные также видят множество других применений, включая контроль материалов, мониторинг оборудования и медицинские приложения. Кроме того, электрическая камера может поддержать фундаментальные биологические исследования и помочь лучше понять механизмы активной электролокации у слабоэлектрических рыб.