該系統(tǒng)可應(yīng)用于多種場景，例如協(xié)助提升無人機(jī)在灌溉、災(zāi)害現(xiàn)場緊急搜救等工作中的精度和效率。 香港科技大學(xué)工學(xué)院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)近期成功研發(fā)出一種新型人工復(fù)眼系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅成本更低，而且其小范圍區(qū)域的靈敏度較現(xiàn)有市售產(chǎn)品高出兩倍以上。這一突破有望革新機(jī)器人視覺系統(tǒng)、增強(qiáng)機(jī)器人的導(dǎo)航、感知和決策能力，并為人機(jī)協(xié)作開拓了更廣泛的商業(yè)應(yīng)用和未來發(fā)展空間。

研究團(tuán)隊(duì)（香港科技大學(xué)） 該創(chuàng)新系統(tǒng)模仿生物復(fù)眼的視覺功能，可廣泛應(yīng)用于多種場景，例如協(xié)助提升無人機(jī)在灌溉、災(zāi)害現(xiàn)場緊急搜救等工作中的精度和效率。憑借高靈敏度，該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人和多設(shè)備連接的協(xié)作。從長遠(yuǎn)來看，該系統(tǒng)還將有望提升自動(dòng)駕駛的安全性，加速智能交通系統(tǒng)的應(yīng)用，并推動(dòng)智慧城市的發(fā)展。 長久以來，機(jī)器人專家一直致力于復(fù)制昆蟲復(fù)眼兼具廣闊視野和動(dòng)態(tài)跟蹤能力的視覺特性。然而，由于變形過程的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性、幾何形狀的限制，以及光學(xué)元件與探測器組件不匹配等技術(shù)問題，這種復(fù)眼系統(tǒng)難以集成至機(jī)器人或無人機(jī)等自主平臺(tái)中。 為解決這些問題，范智勇教授團(tuán)隊(duì)利用新材料和結(jié)構(gòu)開發(fā)出一種針孔復(fù)眼視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備以下關(guān)鍵特征：包含一個(gè)內(nèi)置的半球狀鈣鈦礦納米線陣列成像器，具有高像素密度，可擴(kuò)大成像視野；包含一個(gè)可定制布局的3D打印無鏡片針孔陣列，有助于調(diào)節(jié)入射光并消除相鄰小眼（即復(fù)眼內(nèi)的獨(dú)立單元）之間的盲區(qū)。該系統(tǒng)還具有出色的角度選擇性、廣闊的視野、單眼及雙眼配置下的寬光譜響應(yīng)，以及動(dòng)態(tài)追蹤能力，使其不僅能夠準(zhǔn)確定位目標(biāo)，還能在集成至無人機(jī)后追蹤移動(dòng)中的四足機(jī)器人。

（香港科技大學(xué)） 范教授指出：“這種復(fù)眼系統(tǒng)不僅設(shè)計(jì)簡單，而且輕便廉價(jià)。雖然它不會(huì)完全取代傳統(tǒng)攝像頭，但在無人機(jī)近距離編隊(duì)飛行等特定的機(jī)器人應(yīng)用場景中具有極大的應(yīng)用潛力。隨著未來設(shè)備尺寸的進(jìn)一步縮小、小眼數(shù)量的增加，以及成像解析度和響應(yīng)速度的提升，這類設(shè)備將在光電子和機(jī)器人領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景?！?以下是《Tech Briefs》對范教授的獨(dú)家專訪，為了讓表述更加凝練清晰，我們對訪談內(nèi)容進(jìn)行了編輯。Tech Briefs：在研發(fā)這種復(fù)眼系統(tǒng)的過程中，你們面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)是什么？范教授：我們將這種超薄的半球形光電探測器陣列稱之為人工視網(wǎng)膜。它和人類視網(wǎng)膜一樣具有極其纖薄的結(jié)構(gòu)，直徑約為2 cm，就像蛋殼一樣。該裝置的所有部分都非常脆弱，因此我們團(tuán)隊(duì)使用鋁基板打造了層壓結(jié)構(gòu)。 在添加堅(jiān)硬的保護(hù)層之后，就必須從內(nèi)部構(gòu)建這一薄膜，這是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的精密工作，也是我們面臨的主要工程挑戰(zhàn)。Tech Briefs：您的團(tuán)隊(duì)為何要啟動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目？研究靈感是什么？范教授：我們研究團(tuán)隊(duì)從2016年開始著手研究仿生眼項(xiàng)目，并于2020年發(fā)表了一篇有關(guān)仿生單眼系統(tǒng)的論文。自然界創(chuàng)造了兩種類型的眼睛：一種是單眼（多見于人類和哺乳動(dòng)物），另一種是復(fù)眼（多見于昆蟲）。由于昆蟲的大腦較小且計(jì)算能力有限，因此，它們的眼睛結(jié)構(gòu)不可能非常復(fù)雜。大自然母親開發(fā)了這種所謂的復(fù)眼結(jié)構(gòu)，里面有很多很多的小眼睛。我們對于復(fù)制這種自然復(fù)眼結(jié)構(gòu)充滿興趣。

無論是單眼還是復(fù)眼，它們都是“先進(jìn)的光電探測器”。在2020年成功開發(fā)出單眼系統(tǒng)后，我們便開始嘗試開發(fā)復(fù)眼系統(tǒng)，并最終取得了成功。單眼和復(fù)眼不僅結(jié)構(gòu)不同，功能也不一樣。以蜜蜂為例，它們通常成群結(jié)隊(duì)出行，有時(shí)數(shù)量達(dá)數(shù)千只。蜜蜂的復(fù)眼對移動(dòng)物體非常敏感，因此具備一種非常獨(dú)特的功能，即光學(xué)避障（撞）。 如果有同伴在附近活動(dòng)，蜜蜂能準(zhǔn)確感知同伴的位置和飛行速度等信息。這種功能在無人機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域中至關(guān)重要，因此極大地激發(fā)了我們的研究興趣。雖然復(fù)眼無法像單眼那樣提供高分辨率圖像，但其獨(dú)特優(yōu)勢確實(shí)激發(fā)了我們的靈感。Tech Briefs：你們的未來研究計(jì)劃是什么？范教授：我們目前仍在研究這種復(fù)眼結(jié)構(gòu)，著重提升其像素密度。目前我們的系統(tǒng)僅有幾百個(gè)感測像素，遠(yuǎn)低于昆蟲的數(shù)千個(gè)像素。我們的工作重點(diǎn)之一就是增加系統(tǒng)的像素?cái)?shù)，這意味著我們不僅要縮減每個(gè)像素的尺寸，還需在每個(gè)像素上方構(gòu)建一個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)任務(wù)困難重重，我們正在積極推進(jìn)。不過，我們已經(jīng)研發(fā)出新的制造方法，并實(shí)現(xiàn)了10萬像素的突破，這甚至已經(jīng)超過了某些昆蟲復(fù)眼的像素?cái)?shù)。但我們還需進(jìn)一步完善每個(gè)像素上方的光學(xué)結(jié)構(gòu)，并確保這些結(jié)構(gòu)與像素精確對齊。 此外，我們對探索新的應(yīng)用場景也非常感興趣。在本研究中，我們演示了復(fù)眼系統(tǒng)在無人機(jī)上的功能集成，使其能夠跟蹤地面上的機(jī)器狗。機(jī)器狗身上配有光源，無人機(jī)則會(huì)定位光源位置并嘗試追蹤光源。我們希望將來能進(jìn)一步探索復(fù)眼結(jié)構(gòu)在無人機(jī)和自動(dòng)駕駛車輛中的應(yīng)用，但這項(xiàng)工作仍然任重道遠(yuǎn)。 除了上述挑戰(zhàn)外，我們還面臨一個(gè)挑戰(zhàn)：如果想將該技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際場景或各行各業(yè)中，我們還需開發(fā)可擴(kuò)產(chǎn)的制造技術(shù)，以降低生產(chǎn)成本。