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Shrimp-Inspired导航

Shrimp-Inspired导航图片来源:印度尼西亚的一只螳螂虾。(Silke Baron CC BY-2.0, via flickr)

螳螂虾看到圆偏振光的能力激发了一个水下GPS系统。


成绩单

虾灵感导航。我是Bob Hirshon,这是科学更新。

全球定位系统彻底改变了全球导航系统。但是GPS无线信号不能在水下传播,这阻碍了地理定位。螳螂虾是一种生物,它的眼睛就像复杂的偏光太阳镜,能够探测光线穿过水中时的弯曲模式。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的工程师Victor Gruev说,这些偏振模式会随着太阳的位置而改变,这一特征可以用于导航。

格鲁夫
所有这些偏光签名都在水下,它们依赖于太阳的位置相对于您的位置。

在杂志中科学推进,格鲁夫的团队描述了一个受虾启发的水下GPS系统。这项技术可以帮助探索、污染追踪和动物迁徙研究。我是美国科学促进会的鲍勃·赫森。manbetx注册与登录


研究的意义

自从人们对海边探索世界的时间以来,他们一直在寻找可靠的方式来帮助他们导航。例如,早期的波利尼西亚人是第一个使用恒星,天气,德国野生动物种类的运动的运动,或者波浪的大小来帮助他们从一个岛屿导航到另一个岛屿。像Flopi Vilgerdarson那样被认为是冰岛的Viki vilgerdarson,将使用乌鸦来帮助导航。如果他们认为土地接近,维京人会释放乌鸦。如果乌鸦仍然在没有目的的情况下盘旋船,那就被认为是他们不在陆地上。然而,如果乌鸦在一定方向上起飞,那么维京人会追随它,认为它是朝着土地走向的。

第一有用的发明是有助于磁指南针。水手仍然不得不将指南针结合使用他们对他们旅行的快速,他们目前的柱子和准确的时钟来结合他们的知识,以弄清楚他们的经度。另一个早期的导航仪器是塞克斯坦 - 这是今天仍在使用的东西。六分子的主要用途是为了为天体导航的目的测量天文对象和地平线之间的角度。

如今,所有的大型船舶都依赖全球定位系统(GPS)。海洋GPS提供经度和纬度。许多GPS也能显示出水深的近似值。然而,在水下,传统的GPS并不可靠,因为它需要卫星的视线范围,而水会干扰这一过程。因此,需要维克多·格鲁夫和他的团队开发的水下GPS方法。这项新技术被称为螳螂摄像机——一种能够感知颜色和偏振的超灵敏摄像机——是模仿螳螂虾的眼睛开发出来的。换句话说,它是受螳螂虾的眼睛启发(启发或基于生物结构)的。

螳螂虾,被认为是浅水区中最好的猎人之一,拥有一个最复杂的眼睛。与人类视觉相比,具有三种不同类型的颜色受体,螳螂虾具有16种不同类型的颜色受体和六个偏振通道(光的偏振是光在空间中振动的光的运动方向)。也就是说,相机可以将水下环境显示为极化模式的巨大景观,而不是我们用人眼看到的沉闷蓝色,无特色空间。

使用这款新相机,GRUEV和他的团队通过使用与它收集的偏振信息开发了一个水下GPS方法。相机利用折射或弯曲在通过水面和颗粒和水分子反弹时的光线折射或弯曲。他们在与海洋生物学家的工作中收集了来自世界各地的水下极化数据,并注意到水的偏振模式不断变化。一旦在实验室后,团队决定了水下偏振模式是太阳相对于收集录制的位置的位置。他们发现它们可以使用水下偏振图案来估计太阳的标题和仰角,允许它们通过了解拍摄的日期和时间来弄清他们的GPS坐标。

根据GUEV的说法,“我们发现我们可以在61公里(38英里)的准确度上找到我们在地球上的位置。”这似乎可能是一个巨大的错误范围,但考虑到地球海洋的大小,这仍然相当愉快,每个平方数千万平方米。

研究人员希望这项新技术能被用来帮助找到沉船残骸,定位失踪的飞机,或者绘制海底详细地图。他们认为,这项研究还可能对许多海洋物种的迁徙行为产生新的见解。

现在试着回答以下问题:

  1. 人们最初是如何尝试在船上航行的?
  2. GPS代表什么?为什么不能有效地在水下使用?
  3. 什么是螳螂摄像机?它的灵感来自于什么?
  4. 螳螂摄像机与其他摄像机有何不同?
  5. GRUEV和他的团队如何使用Mantis Cam来帮助确定他们的位置水下?
  6. 你能想到其他受到动物启发的技术吗?

如果你想了解更多受动物启发的其他技术,请查看无袖长衫蟑螂科学更新。

冲虾《科学更新》,你可以找到原因,要成为真正的冠军,职业拳击手真的应该“像螳螂虾一样出拳”。


更进一步


为教师

你可以在本期科学更新中让学生们听听这些观点壁虎脚它观察工程师们如何试图模仿壁虎脚趾的惊人特性。

这篇科学更新将会是对高中工程课程的一个很好的补充。你可以用它向学生们展示科学家如何看待和研究自然世界,以帮助他们解决技术挑战和设计新产品。本科学更新也可以用来加强任何课程或单位,你做的自然科学。


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