Künstliches Krebsauge entdeckt Krebszellen

Bioinspierierter Dioden-Stapel verspricht Früherkennung

Bionik-Forscher Garcia (l.), Gruev (Foto: L. Brian Stauffer)

Champaign (pte029/13.10.2017/13:30) Eine ultraempfindliche Kamera, die sowohl Farben als auch die Polarisation des Lichts erfasst, haben Forscher an der University of Illinois in Champaign http://illinois.edu entwickelt. Vorbild war das Auge des Fangschreckenkrebses, der im englischen Sprachraum als Mantis Shrimp bekannt ist. Die Kamera kann bei der Früherkennung von Krebserkrankungen helfen, meinen die Entwickler Viktor Gruev, Professor für Elektrotechnik und Informatik, und sein Student Misseal Garcia.

Krebse sehen Polarisation

"Diese Lebewesen sehen Dinge, die für das menschliche Auge unsichtbar sind", so Gruev. Die Polarisation des Lichts sei ein solchen Phänomen. Polarisation ist die Schwingungsrichtung einer Lichtwelle. Diese Fähigkeit hilft den Krebsen bei der Suche nach Futter, das sie auf besonders rabiate Art wehrlos machen. Sie schlagen mit ihren Fangarmen so heftig auf Fische, Krabben und Muscheln ein, dass diese bereits von den entstehenden Gasblasen betäubt werden, noch ehe der Fangarm trifft.

Während Menschen drei unterschiedliche Farbrezeptoren besitzen, sind es im Auge von Fangschreckenkrebsen 16. Dazu kommen noch sechs spezielle Rezeptoren, die die Polarisation erkennen. Diese Rezeptoren sorgten nicht nur für eine einzigartige Empfindlichkeit der Krebsaugen, sondern auch dafür, dass sie weitaus mehr visuelle Informationen aufnehmen können als das menschliche Auge. Zudem verbrauchen sie weniger Energie.

Fotodioden-Stapel

"Die Sensoren des Krebsauges bestehen aus mehreren fotosensitiven Elementen, die übereinandergestapelt sind", sagt Gruev. Damit mache sich die Natur das Phänomen zunutze, dass Licht unterschiedlicher Farben dringt unterschiedlich tief in Materie ein. Blaues Licht bleibe an der Oberfläche, rotes dringe dagegen relativ tief ein. Die Polarisation erfassen die Augen auf Grund der räumlichen Anordnung der dafür zuständigen Rezeptoren.

Diesen Aufbau ahmen Gruev und Gracia bei ihrer Kamera nach: Sie stapelten unterschiedliche Fotodioden übereinander. Diese Anordnung kombinierten sie mit nanofeinen metallischen Drähten. Wie genau das Zusammenspiel aussieht, verraten sie allerdings nicht. Jedenfalls schafft es dieses Ensemble, sowohl Farben als auch die Polarisation des Lichts festzuhalten.

Erfolgreiche Tests mit Polarisationssensoren

Bereits früher hatte Gruev ein Kolonoskop, welches das Innere des Dickdarms ab, mit einem von der Natur inspirierten Polarisationssensor ausgestattet. Bionik nennt sich die technische Umsetzung von natürlichen Phänomenen. Das Kolonoskop erkennt anhand von den Zellen reflektierten Lichts krankhaft veränderte Zellen, die zu Krebs führen können. Die Zusatzausstattung mit einem bioinspirierten Farbsensor kann die Diagnose noch verbessern. Sie kann auch eingesetzt werden, um Veränderungen in der Umwelt zu dokumentieren. Gruev schätzt, dass der Bild- und Polarisationssensor für weniger als 100 Dollar hergestellt werden kann.

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