新型仿生复眼诞生记

　　新型仿生复眼模拟昆虫视觉系统   宋乐供图 

　　“嗡嗡嗡，嗡嗡嗡”…… 

　　“啪！” 

　　苍蝇，飞走了……我们时常感慨甚至羡慕，苍蝇、蚊子等昆虫的反应何以如此敏捷？ 

　　昆虫的复眼视觉系统功不可没。它具有体积小、重量轻、视场角大、时间分辨率高、运动目标探测灵敏等优点，因而在众多高速成像探测领域具有不可比拟的优势。但是，昆虫复眼快速感知物体运动轨迹的机理尚不明确。 

　　神秘面纱随着天津大学精密仪器与光电子工程学院的研究人员所研制的新型仿生复眼的问世被揭开——昆虫可能是根据物体发出的光强度来探测物体的轨迹。研究成果发表于《光学快报》，美国光学学会对此进行了专题报道。 

　　该项目负责人、天津大学副教授宋乐告诉《中国科学报》，这种新型仿生复眼能快速探测物体的三维空间位置，未来可以应用于智能机器人、无人驾驶、飞行器、医疗等领域，同时也为生物学家研究昆虫视觉系统提供了一条新的途径。 

　　“我们只是大自然的‘搬运工’” 

　　“我们不生产灵感，我们只是大自然的‘搬运工’。” 提及灵感来源，宋乐不无幽默地说，一方面，我们参阅了很多相关的生物学文献；另一方面，源于思考，生活中“飞蛾扑火”这种昆虫趋光性的现象很多，并且昆虫不具备人类发达的大脑和视神经，无法对成像进行复杂的处理，因而很可能是依靠光感来定位的。 

　　实践是检验理论的“试金石”。研究团队利用单点金刚石切削法，在聚甲基丙烯酸甲酯上制作了表面有169个子眼的仿生复眼，子眼半径约为1毫米，覆盖于曲面基底，形成了一个尺寸约为20毫米的组件，其视场角可达90度，每个子眼均可作为独立的视觉感受器。 

　　为使弯曲的复眼均匀地接收来自不同角度的光，研究人员在构成复眼的曲面透镜和图像探测器之间放置了一个锥形导光器件——光锥。宋乐说，“这种新型仿生复眼均匀接收光线的能力更类似于生物复眼，所以更能模仿真实的生物学机制。” 

　　在新型仿生复眼的探测下，研究人员发现，相对于人类需要根据复杂的图像信息判断物体的位置，昆虫或许根据物体的亮度就能定位目标。仅需要处理图像的明暗灰度信息，分析出哪里是亮的、哪里是暗的，便可使昆虫对威胁作出快速反应。这种简单的探测机制非常适合昆虫的脑处理能力，从而帮助它们躲避捕食者。研究团队还发现，目标距离复眼系统越远，定位精度就会越低，而这也解释了为什么大多数昆虫都是“近视”的。 

　　宋乐说，新型仿生复眼将探测机制从“成像”转化为“感光”，而在系统设计方面，复眼透镜的一体化成型以及光锥制备也独具特色，可以在较小的体积和重量下，提供大视场运动目标的空间快速感知。 

　　从“形似”到“神似”的质变 

　　仿生学是一门囊括了工程学、生物学、信息学等领域的典型交叉学科，在国内外已有漫长的发展历程，但直到近几年才迎来了迅速的发展。 

　　宋乐回忆道，最初，团队研制过多款“形似”复眼的光学透镜，但将这些透镜替换常规相机中的镜头组后，即使获得了一些有意义的图像，也仍然面临很多问题。 

　　由于探测器是平面的，随着视场角增大，透镜基底曲率也要增大，继而造成边缘部分的像差难以控制甚至失真。如果增加探测器数量来解决此问题，系统则会变得庞大，进而失去复眼“小巧”的优点。此外，当相机采集图像后，还需进行一套复杂的算法才能从众多子眼图像中定位目标，系统的灵敏度大打折扣。 

　　宋乐说，这让他们意识到，要想在仿生上接近真实的复眼，仅外表“形似”还不行，功能上还要“神似”。 

　　首先，研究团队要对探测器进行曲面化改造。复眼透镜需要在一个不到2厘米的曲面基底上加工出近200个非球面子眼，并且要保证一致性。为了解决通道间的串扰，还需制作与每个子眼位置相对应的孔径光阑，这些都对加工和装配精度提出了极高的要求。 

　　光锥作为在整个系统中起到光传导作用的核心部件，其作用同样十分关键。为了和探测器像元相匹配，研究团队选用了单丝直径仅为6微米的光纤，并通过热熔和切制完成了常规预加工。但更难的问题来了，光纤的主体成分是二氧化硅，质地硬脆，采用常规加工方式极易造成试件破损，以致前功尽弃。 

　　最终，经过三年的攻关，研究团队探索出了一种超声振动辅助成型的方法，破解了光锥加工的技术难题，终于将光锥成功耦合在平面探测器上。对各角度光线接收能力均匀的曲面探测器，诞生了！ 

　　紧接着，团队要重新探索探测机制。基于诸多思想启发，宋乐团队试着不再提取图像中的复杂特征，而只通过光强在不同子眼间的分布规律，进而摸索出一种全新的空间探测机制。 

　　为了使用仿生复眼测量目标三维轨迹，研究人员利用每个子眼的视场重叠区域，将空间划分为网格。而后，他们令运动目标出现在距离复眼系统特定的空间位置内，并基于一种光强分布算法对目标进行定位。实验发现，这种方法不仅可以实现较高的探测精度，处理速度也大幅提高。研究团队成员、天津大学博士生张皓洋介绍说，在这种探测模式下，不必再进行复杂的算法和处理海量的信息，能够大幅提升系统效率，也更接近真实的昆虫视觉机制。 

　　“此次设计的新型仿生复眼，较以往而言，基本做到了‘形神兼备’。”宋乐说。 

　　瞄准市场 深耕技术 

　　实际上，早在2005年，自天津大学精仪学院微纳制造研究团队（MNMT）成立以来，在长江学者特聘教授、“973”项目首席科学家房丰洲的倡导下，团队就开始关注仿生领域。从探测器的“平面”到“曲面”、探测机制的“成像”到“光感”、复眼的“形似”到“神似”，研究团队走过了诸多探索之路，产出了大量成果，培养了大批人才。 

　　张皓洋说，学校非常注重人才的交叉学科培养，除主修课程外，学生还必须选择其它方向的选修课程。此外，还提供了便利的实验条件和完善的实验设备，让学生能静下心来从事感兴趣的研究。 

　　新型仿生复眼最终将走向市场。对此，宋乐认为，随着人们对装备智能化的要求逐渐提高，高速探测领域蕴含的市场体量也在逐年增大，机遇和挑战并存。 

　　宋乐提出，要促进产业化发展，一要解决量产成本问题；二要精确分析市场需求，瞄准细分市场，结合自身优势，将仿生复眼光学系统和大规模集成电路进行器件集成封装，提供一体化解决方案，是未来产业化的关键点。 

　　张皓洋解释道，目前新型仿生复眼采用高分子材料，利用单点金刚石切削法制成，成本相对较高，微注塑成型是可降低成本、值得研究的方向之一。 

　　提及下一步的研究计划，宋乐说，未来，他们将进一步研究如何更好地模仿真正的昆虫复眼机制。一方面，将深入探索复眼的生物学机理；另一方面，计划结合新型材料及工艺，继续优化复眼、光导与探测器件的结构与性能，提升系统的柔性化程度，进一步降低系统整体的体积、能耗和成本。

　　作者：田瑞颖 

　　来源：中国科学报 2019年9月5日 

　　http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/9/349345.shtm 

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