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天津大学研发出新型人工复眼,可快速追踪3D物体

作者: Jansfer

时间: 2019-08-21 14:46

“通过模拟昆虫的视觉系统,我们认为昆虫可能会根据物体发出的光强度来探测物体的轨迹,而不是根据像人类视觉这样的精确图像,”研究小组成员LeSong说:“这种观测运动物体的方法需要的信息更少,使得昆虫可以对威胁做出快速反应。”

如果你曾经试图拍打过一只苍蝇,你会发现昆虫对运动物体的反应非常迅速。近日,科学家们发明了一种仿生复眼,它可以帮助科学家们了解,昆虫是如何利用复眼快速感知物体及其运动轨迹的。这种复眼还可以与摄像头相结合,为机器人、自动驾驶汽车和无人机创建3D定位系统。

中国天津大学的研究人员在光学学会(OSA)出版的《光学快报》(Optical Letters)杂志上报告了他们的仿生复眼,这种眼睛不仅看起来像昆虫的眼睛,而且工作起来也像昆虫的眼睛。复眼由数百到数千个重复的单位组成,这些单位被称为小眼,每一个小眼都充当一个独立的视觉受体。

“通过模拟昆虫的视觉系统,我们认为昆虫可能会根据物体发出的光强度来探测物体的轨迹,而不是根据像人类视觉这样的精确图像,”研究小组成员LeSong说:“这种观测运动物体的方法需要的信息更少,使得昆虫可以对威胁做出快速反应。”

模拟昆虫的眼睛

研究人员用一种被称为单点金刚石旋转的方法在复眼表面制造了169个微透镜。每个微透镜的半径约为1毫米,制备了一个约20毫米的组件,可以从90度的视野中探测物体。相邻微透镜的视野会发生重叠,就像大多数昆虫的小眼一样。

制造人工复眼的存在一个难点,即图像探测器是平整的,而复眼的表面是弯曲的。为了克服这一挑战,研究人员在曲面透镜和图像检测器之间放置一个光波导,使组件能够均匀地接收来自不同角度的光。

Song解释说:“我们的仿生复眼拥有统一接受光线的能力,这更类似于生物的复眼,而且相比以前制造的复眼更能模仿生物机制。”

为了利用人工复眼测量三维轨迹,研究人员在每个小眼上添加网格,帮助精确定位。然后,他们将LED光源放置在离复眼已知距离和方向的地方,并使用一种算法,根据光源的位置和强度计算LED的三维位置。

研究人员发现,复眼系统能够快速提供物体的三维位置。然而,当光源较远时,定位精度降低,这可以解释为什么大多数昆虫是近视眼。

昆虫眼中的世界

Song说:“这个仿生设计证明,复眼可以根据物体的亮度来识别其位置,而不是通过复杂的图像处理。这种高度敏感的机制非常符合昆虫大脑的处理能力,帮助它们躲避捕食者。”

研究人员称,这种新型仿生复眼能够探测物体的三维位置,对于小型机器人来说非常有用,因为它们需要从一个极轻量级系统中快速感知环境。这也为生物学家研究昆虫的视觉系统提供了一种新的方法。

研究人员计划将定位算法嵌入集成电路等平台中,使该系统能够整合到其他设备中。同时,为了降低单位成本,他们还在研究大规模生产复眼镜片的方法。

参考:https://www.sciencedaily.com/

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