提到螳螂虾，多数人对它的印象往往停留在凶猛的“海底拳击手”上——它出拳速度快到能让周围海水瞬间局部沸腾，部分强壮的个体甚至能击碎水族箱的玻璃。不过更不为人知的是，这种生活在热带珊瑚礁里的小个头海洋生物，居然拥有自然界最精密的视觉系统。这双眼睛不光帮它们在幽暗的海底稳稳立足、好好生存，还为人类前沿科技研发指了条明路，推动了医学、消费电子、机器人学等好几个领域的突破。今天咱们就来好好说说，螳螂虾的生物学特性、视觉奥秘，以及它的视觉系统在仿生学上的应用和未来前景。
螳螂虾的生物学定位与捕食习性
首先得澄清一个误区：螳螂虾可不是咱们平时说的那种虾。它隶属于节肢动物门软甲纲口足目，和十足目的对虾、龙虾亲缘关系不算近，是进化树上独立出来、还特别成功的一支。目前全球已经发现了400多种螳螂虾，大多生活在热带、亚热带的浅海里，喜欢在泥沙或者礁石缝隙里挖个U形洞穴，既能当自己的家，也能用来伏击猎物、抚育幼体。
作为典型的肉食性捕食者，螳螂虾按捕食时附肢的形态，能分成“刺击型”和“击打型”两类：前者长着锋利的矛状附肢，专挑鱼类、蠕虫这种软乎乎的猎物下手，一戳一个准;后者则有一对锤子似的坚硬附肢，攻击加速度能达到惊人的10000倍重力加速度，敲碎贝类、螃蟹的硬壳简直不费吹灰之力。不过不管是哪一类，想高效捕食，都离不开它那独特视觉系统的精准配合——毕竟得靠眼睛快速锁定目标、算好攻击角度，才能稳稳抓到猎物。
视觉系统：超越人类的自然奇迹
螳螂虾的复眼，堪称自然界光学设计的“天花板”，它的复杂性和功能性，比人类以及绝大多数动物都要强得多。它的核心优势主要集中在光谱感知、偏振探测和信息处理这三个方面，凑在一起就成了一套全方位、高效率的视觉感知系统。
超宽光谱视觉：多元色彩的并行感知
咱们人类看世界，全靠3种视锥细胞感知红、绿、蓝三原色，再靠大脑混合色彩才能认出各种各样的颜色;但螳螂虾不一样，它足足有12到16种不同类型的光感受器，最新研究甚至找到了34个视蛋白基因。它能感知的光谱范围特别广，从近紫外线(大概300纳米)一直延伸到远红光(大概720纳米)，其中有三种视蛋白对600纳米以上的红光特别敏感，是目前已知动物里，能感知到最远红光的。这些光感受器整齐地排列在复眼的特定区域，每种都只对特定波长的光有反应。它们不用像人类这样先接收光信号再混合色彩，而是能同时并行接收多种光谱信号，直接分辨出细微的色彩差别。也正因为这样，在光线多变、水体浑浊的海底，螳螂虾才能一眼看穿猎物的伪装，也能读懂同伴身上复杂的色彩信号。
多维度偏振视觉：解码光的“隐形信息”
可能有人不知道，光还有偏振特性——简单说就是光波振动的方向，这是人类眼睛根本看不到的“隐形信息”，但对螳螂虾来说，却是日常必备的“核心感知工具”。它不光能探测到自然界里随处可见的线性偏振光(比如水面的反射光、海水的散射光)，还能识别出特别罕见的圆偏振光(就是电场矢量像螺旋一样转着圈传播的光)。
螳螂虾眼睛里的特殊感光细胞，靠微绒毛的有序排列，形成了天然的“偏振滤光片”，能把偏振信号转换成神经信号，传给大脑处理。其中，线性偏振视觉能帮它在水下导航，还能减少水面眩光的干扰;圆偏振视觉就更厉害了——有些螳螂虾的体表能反射圆偏振光，相当于它们专属的“加密聊天频道”，不管是求偶还是给同伴发警告信号，只有同类能看懂，天敌根本察觉不到。
高效信息处理与主动视觉策略
面对光谱、偏振、亮度、运动这些五花八门的海量视觉数据，螳螂虾也有自己的“高效解法”——它进化出了视网膜层面的“预处理系统”，能把视觉信息分成多个并行的数据流，先做初步分析，再传给大脑，大大减轻了大脑的处理负担，反应速度也快了不少。更厉害的是，它的每只复眼都能独立完成平移、旋转、倾斜等动作，就像装了万向节一样灵活，通过这种“主动扫描”，既能优化偏振信号的探测效果，也能准确估算目标距离、扩大视野范围，让自己的视觉感知更全面、更精准。
仿生学应用：推动多领域技术革新
螳螂虾的视觉系统，既有高性能，又小巧、省电，刚好补上了传统光学技术的短板。也正因为这样，全球的科研团队都受到了启发，纷纷开展仿生研发，搞出了一系列能实际应用的技术创新。
医学领域：精准诊疗的“视觉助力”
在螳螂虾多通道视觉的启发下，科研人员成功制作出了仿生多光谱荧光相机，伊利诺伊大学香槟分校的Viktor Gruev团队，已经在乳腺癌患者身上开展了临床试验：手术前给患者注射能特异性结合肿瘤细胞的荧光探针(也就是吲哚菁绿和亚甲蓝)，手术中，这台相机就能同时捕捉可见光和近红外光信号，实时画出肿瘤的轮廓和前哨淋巴结的位置，帮医生解决了传统手术里，要么肿瘤切不干净、要么切除过度的难题。除此之外，基于偏振视觉的仿生成像系统，不用依赖造影剂，只要分析组织的偏振特性，就能捕捉到癌前病变的细微结构变化，给癌症早期无创筛查提供了新的思路。
消费电子与传感器技术：小型化感知能力升级
基于螳螂虾视觉原理开发的“SIMPOL”传感器，最早是加州大学圣地亚哥分校为了观测太阳偏振研制的，它把超光谱成像(能识别物质成分)和偏振成像(能探测表面形态)这两个功能，集成到了仅有芯片大小的设备上，这种大小的设备理论上甚至能装到智能手机的摄像头里。想想一个这样的场景：以后咱们买水果，拿手机一扫就知道糖度高不高;买药的时候扫一扫，就能确认成分对不对;测水质也不用特意送实验室，手机一拍就能搞定。另外，模仿螳螂虾复眼做的广角相机，通过微透镜阵列拼接，能实现超广角无畸变拍摄，不管是自动驾驶、无人机避障，还是VR全景拍摄，都能用得上。
水下机器人：仿生结构与运动控制
螳螂虾的生物学特性，不光给视觉系统研究带来了启发，它的身体结构也很有借鉴价值。浙江理工大学的团队研发的仿生螳螂虾水下机器人，就采用了柔性脊柱和独立腹足设计，5对能改变方向的腹足，配合多模态轨迹规划，游动速度能达到每秒1.2米，最小转弯半径只有0.36米，能灵活钻进人工鱼礁的狭窄缝隙里，帮着监测海洋牧场的生态情况。还有一款叫Seeker-M的机器人，模仿了螳螂虾的多倍足类游泳模式，柔性脊柱能主动弯曲30°，通过动态调节重心，得以保持稳定的水下姿态，特别实用。
环境监测与国防安全：复杂环境下的“透视工具”
借助螳螂虾偏振视觉能适应浑浊环境的特点，中国海洋大学的团队提出了仿生偏振光流方法，通过偏振成像减少后向散射光的干扰，就算在浑浊的海水里，也能准确估算水下目标的位移。中北大学团队开发的仿生偏振罗盘，在弱偏振条件下，定向误差能控制在2°以内，比传统方法的精度提高了50%以上。这些技术，不管是海底资源勘探、水下考古，还是自主导航，都能派上大用场。甚至在国防领域，仿生对比度增强算法能在复杂背景里，清晰凸显出人造目标，提高监视和安防的精度;基于圆偏振光的通信系统，方向性强、还不容易被干扰，适合用来做短距离的高保密军事通信。
挑战与未来展望
不过目前来说，螳螂虾视觉仿生技术还面临着一些难题，比如微纳加工精度不够、材料稳定性不好、多模态信息融合难度大等等，大多数技术还停留在实验室原型或者临床试验阶段，想大规模商业化应用，还有一段路要走。但随着跨学科研究的不断深入，它的发展前景还是很广阔的。
未来，科研人员会重点关注多功能集成传感器、AI与仿生视觉深度融合、柔性电子适配这些方向，推动仿生技术向更迷你、更智能的方向发展，推动可穿戴健康监测设备、极端环境探测机器人等创新产品的出现。螳螂虾的视觉智慧，不光在重塑人类的成像技术和感知方式，更在告诉我们：自然进化和工程创新之间，有着密不可分的联系——那些自然界里不起眼的小生物，往往藏着解决人类复杂技术难题的关键答案。
从珊瑚礁里的小小捕食者，到人类科技的“灵感源泉”，螳螂虾的视觉奇迹，正在跨越海洋与陆地的界限，或许能够带着人类走向感知更精准、技术更高效的未来。
本文作者：厦门大学海洋与地球学院2025级本科生曾泽邦、袁毅。
支持单位：海洋负排放(ONCE)国际大科学计划、厦门大学碳中和创新研究中心。
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