未來機器人的視覺密碼，可能藏在愛迪生時代的白熾燈泡裡

密西根大學的研究人員表明，利用類似於愛迪生時代白熾燈的技術，可以產生明亮的扭曲光（ twisted light）。這一發現為基礎物理學增添了新的細節，同時為機器人視覺系統以及其他需要利用在空間中呈螺旋狀傳播光的應用領域開闢了新途徑。

「Twisted light」一詞描述的是光的電波在傳播過程中順時針和逆時針旋轉，相互映照。相比之下，傳統光源發出的是非偏振光或線性偏振光。

雖然燈泡嚴格說起來並不能算是愛迪生發明的（他從別人手中買下專利），但愛迪生的確是把燈泡量產的第一人，開啟了電器照明的時代。當時的白熾燈泡利用電流通過碳絲發熱發光的原理，然而，這種光源的效率並不高，只有約10%的能量轉化為可見光。隨著科技的進步，研究者們不斷探索更高效的照明解決方案，最終發展出了螢光燈和LED等新型光源。如今，隨著奈米技術的進步，科學家們又開始關注微觀結構如何影響光的性質，尤其是在扭曲光的生成上。

密西根大學的研究團隊通過採用扭曲的奈米碳絲，成功地生成了明亮的橢圓極化白熾光。這一發現不僅揭示了扭曲光的基本物理特性，還為我們深入理解黑體輻射提供了新的視角。

黑體輻射是指任何加熱物體（包括人類）根據其溫度發射的光譜現象。傳統的光源如鎢燈泡發出的是一種廣譜的白光，而通過扭曲絲的設計，研究者們能夠產生具有螺旋結構的光波，這種光波的亮度甚至比以往方法提高了100倍。

任何有熱量的物體，包括你自己，都在不斷地發出與自身溫度相關的光譜範圍內的光子（光的粒子）。當物體的溫度與周圍環境相同時，它也會吸收等量的光子 —— 這被理想化地稱為 “黑體輻射”，因為黑色會吸收所有光子頻率。

雖然鎢絲燈泡的燈絲溫度比周圍環境高得多，但定義黑體輻射的定律「普朗克定律」能很好地近似它發出的光子光譜。總體而言，這些可見光光子看起來是白色光，但當你讓光通過三棱鏡時，就能看到其中不同光子組成的彩虹色光帶。

這種輻射也是你在熱成像中清晰可見的原因，但即使是室溫下的物體也在不斷地發射和接收黑體光子，這使得它們也能隱約可見。

通常，在多數情況下（物理學中經常如此），人們不會過多考慮發出輻射的物體的形狀，物體可被想像成一個球體。雖然物體形狀不會影響不同光子的波長光譜，但它會影響另一個特性：光子的偏振。

通常，來自黑體源的光子是隨機偏振的 —— 它們的波可以沿任何軸振盪。這項新研究表明，如果發射體在微觀或奈米尺度上呈螺旋狀，且每一圈螺旋的長度與發射光的波長相近，那麼黑體輻射也會發生扭曲。光的扭曲程度，即橢圓偏振程度，主要取決於兩個因素：光子的波長與每圈螺旋長度的接近程度，以及材料（在本研究中為奈米碳或金屬）的電子特性。

機器人視覺應用

扭曲光技術的實際應用在機器人和自主駕駛車輛領域展現出巨大的潛力。想像一下，未來的機器人能夠通過發出的光來區分不同的物體，這不僅僅是識別的簡單過程，而是一個複雜的視覺系統的演變。傳統的機器視覺系統通常依賴於攝像頭捕捉圖像，然後通過演算法進行分析。然而，扭曲光的引入能夠讓這些系統在處理資訊時更加高效和準確。

具體來說，扭曲光的特性使得機器人能夠識別物體表面的微小差異。例如，鹿的皮毛與人類衣物之間的光學特性差異，能夠通過扭曲光的不同發射模式被有效區分。這種能力在複雜環境中尤為重要，尤其是在需要快速反應的場合，比如自動駕駛汽車在城市道路上行駛時。通過分析周圍物體所發出的扭曲光，汽車不僅可以識別行人和其他車輛，還可以判斷它們的距離和速度，從而做出更為精准的駕駛決策。

此外，扭曲光技術的應用還有助於提高成像技術的品質，尤其是在熱成像和感測器技術領域。傳統的熱成像設備在高雜訊環境中往往難以獲得清晰的圖像，而扭曲光技術通過提升光的對比度，能夠在這種情況下提供更為清晰的圖像。這一進展不僅對安全監控、夜間駕駛等應用至關重要，還能夠在醫療成像、建築檢測等領域開闢新的可能性。

研究團隊還提到，未來他們計畫將這一技術擴展到紅外光譜，這將進一步提高圖像的清晰度和對比度，尤其是在複雜的熱環境中。通過橢圓極化的光，研究人員希望能夠開發出更為敏感的感測器，這些感測器能夠在極端條件下依然保持高效工作。

▲ 電燈泡被夾在一個金屬夾中，發出金黃色的光，後面連著黃色和紅色的電線。燈絲發出的光的波長取決於其溫度，而燈絲使光扭曲的程度則取決於這些波長與燈絲扭曲間距的接近程度。