微流体辅助3D打印技术制造仿生复眼!上理工科研成果登上《自然》子刊

3D打印科研前沿
2021
11/24
22:06
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供稿人:上海理工大学光电学院

距今五亿年前的寒武纪,部分生物已经能够通过简单结构的复眼洞察周围环境。随着生物的进化,节肢动物的复眼结构得以不断完善。自然界中生物复眼拥有宽广的视野,以及深度感知的能力,可以通过极大视场角、极小像差,以全景模式观察周边的事物。由于复眼的显著优势及特点,科研工作者们纷纷提出了多种仿生复眼的方案。然而,复眼的生理结构复杂,难以被简单仿制,复眼的三维立体结构也无法直接匹配传统二维图像传感器,应用上也存在极大的难度。

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大黄蜂标本与仿生复眼

2021年11月9日,我校未来光学团队庄松林院士、长江学者张大伟教授带领的超精密光学制造团队与美国杜克大学、戴顿大学合作,创新提出了“微流体辅助3D打印仿生复眼技术”,联合攻克了复眼制造及应用的难题,相关论文“基于微流体辅助3D打印技术制造仿生复眼(Biomimetic apposition compound eye fabricated using microfluidic-assisted 3D printing)在《自然》(NATURE)子刊《自然通讯》(NATURE COMMUNICATIONS)上发表。上海理工大学戴博教授、硕士研究生张良同学和美国戴顿大学赵乘龙教授为第一作者,张大伟教授和美国杜克大学Tony Jun Huang教授为通讯作者。

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仿生复眼设计图

科研人员提出了一种创新的制造工艺制作仿生复眼,先利用面投影微立体光刻3D打印技术制备复眼的基底,再结合微流体操控技术在复眼上表面及内部制作出了高密度的子眼及导光束。仅5毫米直径半球状的仿生复眼拥有多达12,000多颗子眼,其结构与自然界的复眼高度相似,具有角膜(cornea lens)、晶锥(crystalline cone)、感杆束 (rhabdome)等核心元素。仿生复眼能将其前部及周围三维空间中的彩色影像直接投影至底部二维平面,适用于任意商用的二维图像传感器。研究中演示了170度超大视场角全景成像,以及空间三维中光斑精准定位。

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仿生复眼的光学性能图

所研制的仿生复眼可以帮助科学家进一步研究节肢动物复眼的工作机理,并能从昆虫视角看世界。不仅如此,仿生复眼应用潜力巨大,有望被用于微型机器人、内窥镜3D成像等领域。

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相关原理图

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26606-z

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