在我们的星球上，有许多物种的感官能力超过了人类。乌龟具有探测地球磁场的能力。螳螂虾具有辨别偏振光的能力。大象能够捕捉到比人耳能探测到的声音频率低得多的声音。蝴蝶能感知更多的颜色，包括紫外线（UV）。
伊利诺伊大学的研究人员从蝴蝶的紫外线视觉中获得灵感，开发出一种成像传感器，能够识别紫外线并区分癌细胞和健康细胞，准确率高达 99%。这种创新型传感器将过氧化物纳米晶体与硅技术相结合，有望应用于癌症手术和生物研究，并得到了美国的大笔资助。生物启发成像传感器上方的蝴蝶图案。资料来源：伊利诺伊大学香槟分校 Grainger 工程学院
受 Papilio xuthus 蝴蝶增强视觉系统的启发，一个研究小组开发出了一种成像传感器，能够”看到”人眼无法看到的紫外线范围。传感器的设计采用了堆叠光电二极管和过氧化物纳米晶体（PNC），能够对紫外线范围内的不同波长成像。利用生物医学标记（如氨基酸）的光谱特征，这种新型成像技术甚至能够区分癌细胞和正常细胞，可信度高达 99%。
这项由伊利诺伊大学香槟分校电气与计算机工程教授维克多-格鲁耶夫（Viktor Gruev）和生物工程教授聂树明领导的新研究最近发表在《科学进展》（Science Advances）杂志上。
Gruev说：”蝴蝶能够感知紫外线光谱中的多个区域，我们从蝴蝶的视觉系统中汲取了灵感，设计出了一款能够复制这种功能的相机。我们通过使用新型的过氧化物纳米晶体，并结合硅成像技术来实现这一目标，这种新型相机技术可以探测多个紫外线区域。”
紫外线是波长比可见光短（但比 X 射线长）的电磁辐射。我们最熟悉的是来自太阳的紫外线辐射及其对人体健康的危害。紫外线根据不同的波长范围分为三个不同的区域–UVA、UVB 和 UVC。由于人类无法看到紫外线，因此捕捉紫外线信息，尤其是分辨每个区域之间的细微差别具有挑战性。
蝴蝶却能看到紫外线光谱中的这些细微差别，就像人类能看到蓝色和绿色的深浅一样。格鲁耶夫指出：”我很好奇它们是如何看到这些微小变化的。紫外线是非常难以捕捉的，它会被所有东西吸收，而蝴蝶却能做得非常好。”
人类的视觉是三基色的，有三个感光器，感知到的每一种颜色都可以由红、绿、蓝三种颜色组合而成。然而，蝴蝶的眼睛是复眼，有六个（或更多）感光器，对光谱的敏感度各不相同。特别是黄色的亚洲燕尾蝶 Papilio xuthus，它不仅有蓝色、绿色和红色受体，还有紫色、紫外线和宽带受体。此外，蝴蝶还具有荧光色素，可以将紫外线转化为可见光，然后很容易被光感受器感知。这使它们能够感知环境中更多的颜色和细节。
除了感光器数量的增加，蝴蝶的感光器还呈现出独特的分层结构。为了复制 Papilio xuthus 蝴蝶的紫外线感知机制，UIUC 团队通过将一层薄薄的 PNC 与硅光电二极管的分层阵列相结合来模拟这一过程。
PNCs 是一类半导体纳米晶体，具有类似量子点的独特性质，改变粒子的大小和组成就能改变材料的吸收和发射性质。在过去几年中，PNCs 已成为太阳能电池和 LED 等不同传感应用中的一种有趣材料。PNC 在探测紫外线（甚至更低）波长方面表现出色，而传统的硅探测器却无法做到这一点。在新型成像传感器中，PNC 层能够吸收紫外线光子，并重新发出可见光（绿色）光谱，然后被分层硅光电二极管检测到。对这些信号进行处理后，就能绘制和识别紫外线特征。
与健康组织相比，癌症组织中存在浓度更高的各种生物医学标记物–氨基酸（蛋白质的组成成分）、蛋白质和酶。在紫外线的激发下，这些标记物在紫外线和部分可见光谱中发光并发出荧光，这一过程被称为自发荧光。”紫外线区域的成像一直受到限制，我认为这是取得科学进步的最大障碍。现在，我们发明了这种技术，可以对紫外光进行高灵敏度成像，还能分辨微小的波长差异。”
由于癌细胞和健康细胞的标记物浓度不同，因此光谱特征也不同，因此可以根据它们在紫外光谱中的荧光来区分这两类细胞。研究小组评估了他们的成像设备分辨癌症相关标记物的能力，发现该设备能够区分癌症细胞和健康细胞，置信度高达 99%。
格鲁耶夫、聂和他们的合作研究团队设想能在手术中使用这种传感器。最大的挑战之一就是知道要切除多少组织才能确保边缘清晰，而这种传感器可以帮助外科医生在切除癌症肿瘤时更容易做出决策。
“这种新的成像技术使我们能够区分癌细胞和健康细胞，并开辟了健康领域以外的令人兴奋的新应用，”聂说。除了蝴蝶之外，还有许多其他物种也能看到紫外线，有了探测紫外线的方法，生物学家就有了更多了解这些物种的有趣机会，比如它们的狩猎和交配习惯。将传感器置于水下也有助于更好地了解水下环境。虽然很多紫外线会被水吸收，但仍有足够的紫外线会对水产生影响，而且水下有很多动物也能看到和利用紫外线。
