（要闻）苍蝇比你反应快，或因看世界的方法更简单

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当我们拍苍蝇时，它们很快就飞走了。你知道苍蝇如何看到威胁并迅速做出反应吗？

最近，天津大学精密仪器与光电工程学院的研究人员开发了一种新型仿生复眼视觉系统。通过模拟复眼结构和检测方法，发现昆虫可以根据目标发出的光强来检测目标轨迹。复眼结构基于光能分布的目标空定位方法，可以在很短的时间内感知物体的靠近。研究结果发表在国际期刊《光学快报》上，美国光学学会对此做了专题报道。

恢复昆虫视觉系统

“昆虫复眼视觉系统体积小、重量轻、视场大、时间分辨率高、对运动目标检测灵敏，使其具有其他成像方法无法比拟的优势。但昆虫复眼快速感知物体运动轨迹的机制尚不清楚。”负责该项目的乐松副教授说:“自然界中昆虫复眼的大小极小，理论上无法成像清楚，但昆虫一般具有较强的趋光性，与清晰成像相比，光强的信息相对较小，对于需要极短反应时间才能保证生存的昆虫来说，意义重大。我们希望通过仿生系统来探索和证实这一特性。”

研究小组采用单点金刚石切割法在聚甲基丙烯酸甲酯表面制作了169个亚眼的仿生复眼。子眼采用六角形微透镜阵列紧密排列，避免子眼之间出现盲点；同时，子眼表面为非球面，通过优化非球面进一步降低了光学像差。这种仿生复眼可以模拟昆虫的复眼功能，每个子眼都可以作为独立的视觉感受器。子眼半径约1 mm，169个子眼组成一个20 mm左右的模块，其视场可达90度。

通过在曲面透镜和图像检测器之间放置锥形光导装置，曲面复眼可以均匀地接收不同角度的光。锥形导光装置由多根光纤焊接而成，具有图像传输功能，可以提供不失真的图像传输，实现图像缩放。“采用这种策略，一方面可以将复眼透镜形成的曲面图像转换成平面图像供平面探测器接收，另一方面可以将复眼透镜形成的大视场图像压缩成较小的等比例图像，这样就可以在小型平面探测器上无损成像，实现耦合，从而降低对平面探测器的技术要求。”乐松说。

灵感来自马赛克墙

虽然新型仿生复眼装置已经制造出来，但如何利用仿生复眼模拟昆虫看世界，实现高灵敏度检测，是一个难题。“我们尝试了很多方法，采用了很多高复杂度的算法，力求从亚眼图像中获取更详细的信息来确定目标位置，但是由于运行时间太长，检测速度总是上不去。”乐松回忆说，“直到有一天，我们在一家餐馆看到一面马赛克墙，墙上密密麻麻的马赛克块在灯光的照射下呈现出各种立面和光晕。那一刻，灵感来了。”在新设计灵感的指导下，研究人员提出了一种基于光能分布的目标空定位方法。“比如把复眼压扁后，类似马赛克墙。每个子眼就像每个马赛克块。假设我们用一个光源照亮墙壁。由于光源的位置和角度不同，受其影响的马赛克块数和光能分布规律也会不同。”宋岳说。与复眼类似，研究人员提取目标图像的相对亮度进行检测，即可以通过每个接收眼的光强、中心子眼的光强和中心子眼的像素数来确定目标的距离，大大简化了算法流程。

“通过使用仿生复眼实现高灵敏度检测，我们发现昆虫只能根据物体的亮度来定位目标，就像它们只能通过知道受光源影响的马赛克块的平均数量来定位目标一样。人类需要复杂的图像信息来判断物体的位置，就像需要了解每个马赛克受光源影响的信息一样，所以反应会慢很多。”乐松说，“这种简单的检测机制非常适合昆虫的神经系统，因为飞虫的神经系统比脊椎动物简单得多，眼睛和飞行相关肌肉之间的直接神经元链只有6-7个细胞。只有通过处理图像的亮灰色和暗灰色信息，昆虫才能对威胁做出快速反应，并帮助它们避开捕食者。”

研究人员还发现，目标离复眼系统越远，定位精度就会越低，这就解释了为什么大多数昆虫都是近视眼。

可以应用于各种领域

这种新型仿生复眼能够快速探测目标的空位置，未来可用于智能机器人、无人驾驶、飞行器、生物医学等领域。“无人驾驶汽车会遇到很多突发事件，比如行人突然出现，车辆突然停在前面或者急转弯等。如果将仿生复眼系统应用于无人驾驶汽车，可以辅助快速检测或自动回避。”乐松说。

复眼系统的本质是单摄像头三维定位系统。与传统的多眼立体视觉系统相比，复眼系统体积更小，可以在紧凑的空房间内实现立体检测，如医用内窥镜等领域。

此外，复眼结构还可以应用于光伏系统的高效能量转换。乐松解释说:“我们知道太阳能电池板的能量转换与光入射到电池板上的角度有关。如果将复眼系统引入光伏系统，复眼在大视场内接收光线的能力可以用来提高其能量转换效率。”(科技日报陈伟通讯员张华)