章魚能幫助我們製造更好的Kindle嗎?

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章魚和Kindle可能比你想象的更有共同之處。的確,你不能從章魚身上讀到儒勒·凡爾納的小說。Kindle也不能在色彩鮮豔、紋理豐富的珊瑚礁上偽裝自己。但是,兩者都依賴於使用環境光來生成它們的“顯示”,並且兩者都可以以驚人的速度改變它們的外觀。

這個概念是去年秋天在休斯頓的萊斯大學的一位訊號處理研究員裡奇·巴拉紐克首次向我描述的。他做了一個有益的對比,即頭足類動物能夠僅使用漫射水下光來使偽裝顏色生動起來,而我們最流行的顯示技術——電腦顯示器、電視、iPhone、平板電腦——依賴於耗能的發光顯示器。因此,在許多方面,頭足類動物勝過我們,他說。即使是Kindle,也幾乎沒有像進入完全隱形模式的章魚那樣細緻入微或適應性強(謝天謝地——我已經很難追蹤到我的Kindle了)。

現在,一個研究團隊正在仔細研究這兩種截然不同的方法,以弄清楚我們可以從這些令人印象深刻的動物身上學到什麼。一篇關於這個主題的評論文章於9月份在英國皇家學會介面雜誌上線上發表。


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論文的作者們寫道:“人類直到過去十年才開始掌握自適應著色技術,主要形式是反射式電子紙(e-paper)裝置,如亞馬遜Kindle。”該論文由辛辛那提大學電子和計算機系統學院的埃裡克·克雷特領導。克雷特及其同事補充說,儘管對這些產品進行了大量的研究和開發,“電子紙仍然落後於生物系統”。(正如他們指出的那樣,也許我們不應該感到太難過,因為這些動物已經“領先了1億多年”。)

章魚的大部分顏色來自微小的色素細胞,這些細胞是皮膚中充滿色素的囊,可以透過肌肉的推拉來擴張或收縮。然而,它們顯示的細微之處來自於虹彩細胞和白色細胞。虹彩細胞是反射性斑塊,也可以改變厚度以反射不同的顏色。而白色細胞是更靜態的成分,它們利用蛋白質來反射白光,有助於為顯示的其餘部分提供光線和活力。透過這種複雜的編排,它們能夠在不到一秒的時間內改變顏色偽裝——所有這一切都無需藉助液晶顯示器或任何其他發光能力。

伍茲霍爾海洋生物實驗室的生物學家兼論文的合著者羅傑·漢隆在一份準備好的宣告中說:“頭足類動物的皮膚非常美麗和光彩照人,可以在幾毫秒內改變,所有這一切都無需從皮膚內部產生任何內在的光。”他指出,“生物學中存在優雅的解決方案,等待轉化為我們的消費和工業世界。”

到目前為止,我們似乎還沒有取得很大的進展。與章魚的顯示相比,灰度Kindle可能看起來相對簡單(它依靠電荷來吸引或排斥電子墨水到各個畫素)。但是,對我們來說,這種基於反射的顯示器是我們從其他發光裝置向前邁出的令人印象深刻的一步。依賴反射光意味著介質必須非常有效地將光子反射出來,而不是吸收它們。研究人員指出:“動物色素和結構著色反射器非常有效地利用可用光。”即使在非常昏暗的水下條件下,章魚也可以進行令人信服的偽裝顯示。研究人員希望我們能從它們身上學到更多。“必須密切研究生物學,以幫助指導技術的發展,”克雷特及其合著者指出。

利用這些經驗教訓的尖端產品已經在開發中。工程師們正在努力開發全綵被動顯示器。研究人員報告說,惠普公司正在開發的一個原型可以達到彩色新聞紙的質量。頭足類動物在許多顏色(其他色調,與它們的水下環境不太相關,例如灰色,在它們的調色盤中不太發達)中具有更多的漸變。

頭足類動物通常缺乏像我們的許多技術那樣變暗黑色的能力(它們可以反射少於環境光5%到10%的光)。但是,正如研究人員指出的那樣,“這種比較可能是不公平的,因為大多數頭足類動物不需要適應漆黑的背景。”許多生活在深海的章魚,在陽光無法穿透的地方,實際上已經失去了變色的能力,並且是蒼白的白色,因為其他生物幾乎沒有光線可以看到它們。

章魚以超級靈活而聞名,但到目前為止,我們的顯示器令人沮喪地堅固。章魚還可以改變皮膚的紋理,使其與環境融為一體,無論是光滑的岩石還是波紋狀的海帶枝條。我們的顯示技術才剛剛開始探索這一領域,一個吸引人的應用是紋理鍵盤。研究人員指出:“研究這些系統肯定會產生關於如何設計合成系統的新想法。”

章魚和其他頭足類動物的皮膚顯示與其視覺系統之間也存在著優雅而相對神秘的近乎瞬時的整合——生物學家和工程師都在試圖解析這種聯絡。

作者指出:“人類從未開發出像頭足類動物皮膚的生物學和物理學那樣複雜或精密的任何東西。”或者至少,還不是。

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