該系統(tǒng)可應用于多種場景，例如協(xié)助提升無人機在灌溉、災害現(xiàn)場緊急搜救等工作中的精度和效率。 香港科技大學工學院的一個研究團隊近期成功研發(fā)出一種新型人工復眼系統(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器人視覺系統(tǒng)、增強機器人的導航、感知和決策能力，并為人機協(xié)作開拓了更廣泛的商業(yè)應用和未來發(fā)展空間。

研究團隊（香港科技大學） 該創(chuàng)新系統(tǒng)模仿生物復眼的視覺功能，可廣泛應用于多種場景，例如協(xié)助提升無人機在灌溉、災害現(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)還可以實現(xiàn)多機器人和多設備連接的協(xié)作。從長遠來看，該系統(tǒng)還將有望提升自動駕駛的安全性，加速智能交通系統(tǒng)的應用，并推動智慧城市的發(fā)展。 長久以來，機器人專家一直致力于復制昆蟲復眼兼具廣闊視野和動態(tài)跟蹤能力的視覺特性。然而，由于變形過程的復雜性和不穩(wěn)定性、幾何形狀的限制，以及光學元件與探測器組件不匹配等技術問題，這種復眼系統(tǒng)難以集成至機器人或無人機等自主平臺中。 為解決這些問題，范智勇教授團隊利用新材料和結(jié)構開發(fā)出一種針孔復眼視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備以下關鍵特征：包含一個內(nèi)置的半球狀鈣鈦礦納米線陣列成像器，具有高像素密度，可擴大成像視野；包含一個可定制布局的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（即復眼內(nèi)的獨立單元）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，以及動態(tài)追蹤能力，使其不僅能夠準確定位目標，還能在集成至無人機后追蹤移動中的四足機器人。

（香港科技大學） 范教授指出：“這種復眼系統(tǒng)不僅設計簡單，而且輕便廉價。雖然它不會完全取代傳統(tǒng)攝像頭，但在無人機近距離編隊飛行等特定的機器人應用場景中具有極大的應用潛力。隨著未來設備尺寸的進一步縮小、小眼數(shù)量的增加，以及成像解析度和響應速度的提升，這類設備將在光電子和機器人領域擁有廣泛的應用前景?！?以下是《Tech Briefs》對范教授的獨家專訪，為了讓表述更加凝練清晰，我們對訪談內(nèi)容進行了編輯。Tech Briefs：在研發(fā)這種復眼系統(tǒng)的過程中，你們面臨的最大技術挑戰(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，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，因此我們團隊使用鋁基板打造了層壓結(jié)構。 在添加堅硬的保護層之后，就必須從內(nèi)部構建這一薄膜，這是一項極具挑戰(zhàn)性的精密工作，也是我們面臨的主要工程挑戰(zhàn)。Tech Briefs：您的團隊為何要啟動這個項目？研究靈感是什么？范教授：我們研究團隊從2016年開始著手研究仿生眼項目，并于2020年發(fā)表了一篇有關仿生單眼系統(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物），另一種是復眼（多見于昆蟲）。由于昆蟲的大腦較小且計算能力有限，因此，它們的眼睛結(jié)構不可能非常復雜。大自然母親開發(fā)了這種所謂的復眼結(jié)構，里面有很多很多的小眼睛。我們對于復制這種自然復眼結(jié)構充滿興趣。

無論是單眼還是復眼，它們都是“先進的光電探測器”。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)復眼系統(tǒng)，并最終取得了成功。單眼和復眼不僅結(jié)構不同，功能也不一樣。以蜜蜂為例，它們通常成群結(jié)隊出行，有時數(shù)量達數(shù)千只。蜜蜂的復眼對移動物體非常敏感，因此具備一種非常獨特的功能，即光學避障（撞）。 如果有同伴在附近活動，蜜蜂能準確感知同伴的位置和飛行速度等信息。這種功能在無人機、自動駕駛汽車和機器人等應用領域中至關重要，因此極大地激發(fā)了我們的研究興趣。雖然復眼無法像單眼那樣提供高分辨率圖像，但其獨特優(yōu)勢確實激發(fā)了我們的靈感。Tech Briefs：你們的未來研究計劃是什么？范教授：我們目前仍在研究這種復眼結(jié)構，著重提升其像素密度。目前我們的系統(tǒng)僅有幾百個感測像素，遠低于昆蟲的數(shù)千個像素。我們的工作重點之一就是增加系統(tǒng)的像素數(shù)，這意味著我們不僅要縮減每個像素的尺寸，還需在每個像素上方構建一個光學結(jié)構。這項任務困難重重，我們正在積極推進。不過，我們已經(jīng)研發(fā)出新的制造方法，并實現(xiàn)了10萬像素的突破，這甚至已經(jīng)超過了某些昆蟲復眼的像素數(shù)。但我們還需進一步完善每個像素上方的光學結(jié)構，并確保這些結(jié)構與像素精確對齊。 此外，我們對探索新的應用場景也非常感興趣。在本研究中，我們演示了復眼系統(tǒng)在無人機上的功能集成，使其能夠跟蹤地面上的機器狗。機器狗身上配有光源，無人機則會定位光源位置并嘗試追蹤光源。我們希望將來能進一步探索復眼結(jié)構在無人機和自動駕駛車輛中的應用，但這項工作仍然任重道遠。 除了上述挑戰(zhàn)外，我們還面臨一個挑戰(zhàn)：如果想將該技術應用于實際場景或各行各業(yè)中，我們還需開發(fā)可擴產(chǎn)的制造技術，以降低生產(chǎn)成本。