章鱼能帮助我们制造更好的Kindle吗?

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章鱼和Kindle可能比你想象的更有共同之处。的确,你不能从章鱼身上读到儒勒·凡尔纳的小说。Kindle也不能在色彩鲜艳、纹理丰富的珊瑚礁上伪装自己。但是,两者都依赖于使用环境光来生成它们的“显示”,并且两者都可以以惊人的速度改变它们的外观。

这个概念是去年秋天在休斯顿的莱斯大学的一位信号处理研究员里奇·巴拉纽克首次向我描述的。他做了一个有益的对比,即头足类动物能够仅使用漫射水下光来使伪装颜色生动起来,而我们最流行的显示技术——电脑显示器、电视、iPhone、平板电脑——依赖于耗能的发光显示器。因此,在许多方面,头足类动物胜过我们,他说。即使是Kindle,也几乎没有像进入完全隐形模式的章鱼那样细致入微或适应性强(谢天谢地——我已经很难追踪到我的Kindle了)。

现在,一个研究团队正在仔细研究这两种截然不同的方法,以弄清楚我们可以从这些令人印象深刻的动物身上学到什么。一篇关于这个主题的评论文章于9月份在英国皇家学会界面杂志上在线发表。


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论文的作者们写道:“人类直到过去十年才开始掌握自适应着色技术,主要形式是反射式电子纸(e-paper)设备,如亚马逊Kindle。”该论文由辛辛那提大学电子和计算机系统学院的埃里克·克雷特领导。克雷特及其同事补充说,尽管对这些产品进行了大量的研究和开发,“电子纸仍然落后于生物系统”。(正如他们指出的那样,也许我们不应该感到太难过,因为这些动物已经“领先了1亿多年”。)

章鱼的大部分颜色来自微小的色素细胞,这些细胞是皮肤中充满色素的囊,可以通过肌肉的推拉来扩张或收缩。然而,它们显示的细微之处来自于虹彩细胞和白色细胞。虹彩细胞是反射性斑块,也可以改变厚度以反射不同的颜色。而白色细胞是更静态的成分,它们利用蛋白质来反射白光,有助于为显示的其余部分提供光线和活力。通过这种复杂的编排,它们能够在不到一秒的时间内改变颜色伪装——所有这一切都无需借助液晶显示器或任何其他发光能力。

伍兹霍尔海洋生物实验室的生物学家兼论文的合著者罗杰·汉隆在一份准备好的声明中说:“头足类动物的皮肤非常美丽和光彩照人,可以在几毫秒内改变,所有这一切都无需从皮肤内部产生任何内在的光。”他指出,“生物学中存在优雅的解决方案,等待转化为我们的消费和工业世界。”

到目前为止,我们似乎还没有取得很大的进展。与章鱼的显示相比,灰度Kindle可能看起来相对简单(它依靠电荷来吸引或排斥电子墨水到各个像素)。但是,对我们来说,这种基于反射的显示器是我们从其他发光设备向前迈出的令人印象深刻的一步。依赖反射光意味着介质必须非常有效地将光子反射出来,而不是吸收它们。研究人员指出:“动物色素和结构着色反射器非常有效地利用可用光。”即使在非常昏暗的水下条件下,章鱼也可以进行令人信服的伪装显示。研究人员希望我们能从它们身上学到更多。“必须密切研究生物学,以帮助指导技术的发展,”克雷特及其合著者指出。

利用这些经验教训的尖端产品已经在开发中。工程师们正在努力开发全彩被动显示器。研究人员报告说,惠普公司正在开发的一个原型可以达到彩色新闻纸的质量。头足类动物在许多颜色(其他色调,与它们的水下环境不太相关,例如灰色,在它们的调色板中不太发达)中具有更多的渐变。

头足类动物通常缺乏像我们的许多技术那样变暗黑色的能力(它们可以反射少于环境光5%到10%的光)。但是,正如研究人员指出的那样,“这种比较可能是不公平的,因为大多数头足类动物不需要适应漆黑的背景。”许多生活在深海的章鱼,在阳光无法穿透的地方,实际上已经失去了变色的能力,并且是苍白的白色,因为其他生物几乎没有光线可以看到它们。

章鱼以超级灵活而闻名,但到目前为止,我们的显示器令人沮丧地坚固。章鱼还可以改变皮肤的纹理,使其与环境融为一体,无论是光滑的岩石还是波纹状的海带枝条。我们的显示技术才刚刚开始探索这一领域,一个吸引人的应用是纹理键盘。研究人员指出:“研究这些系统肯定会产生关于如何设计合成系统的新想法。”

章鱼和其他头足类动物的皮肤显示与其视觉系统之间也存在着优雅而相对神秘的近乎瞬时的集成——生物学家和工程师都在试图解析这种联系。

作者指出:“人类从未开发出像头足类动物皮肤的生物学和物理学那样复杂或精密的任何东西。”或者至少,还不是。

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