機器人感知（Robotic Perception）的新時代：微型仿生眼（Insect-Scale Bionic Eye）的興起

在機器人感測技術（Robotic Sensing Technology）的一項重大飛躍中，來自中國科學院（CAS）下屬上海微系統與信息技術研究所（SIMIT）的研究人員，成功開發出了一種微型仿生複眼（Insect-Scale Bionic Compound Eye）。這件僅有 1.5 毫米大小的微觀奇蹟，整合了 1,027 個獨立透鏡，為機器人提供了 180 度的全景視野，以及獨特的「嗅探」周圍環境的能力。

開發團隊從果蠅（Drosophila）複雜的視覺系統中汲取靈感，標誌著與傳統基於相機的視覺系統的背離。透過模仿節肢動物眼睛的結構，團隊研發出了一種結合了廣角成像、高速運動檢測和化學感測的感測器。這項發表於《Nature Communications》的突破性成果，有望徹底改變自主系統（Autonomous Systems），特別是微型無人機（Micro-drones）和救援機器人在複雜、危險環境中的導航與互動方式。

這種視覺-嗅覺系統的創造解決了機器人技術（Robotics）中一個長期存在的挑戰：如何在保持高性能的同時，將全面的感測能力壓縮到足以讓昆蟲大小的機器人承載的輕量化設備中。SIMIT 團隊的解決方案表明，機器人感知的未來可能不在於複製人眼，而在於完善昆蟲世界的複眼。

工程化微型複眼

這項創新的核心在於其複雜的製造工藝和結構設計。與依賴單一透鏡將光線聚焦到視網膜上的入眼不同，昆蟲的眼睛是「複合」的，由數千個被稱為小眼（Ommatidia）的獨立光感受器單元組成。每個單元捕捉視野的一小部分，昆蟲的大腦隨後將其縫合在一起形成馬賽克圖像。

飛秒激光精密製造

為了複製這種生物架構，中國科學家利用了飛秒激光雙光子聚合（Femtosecond laser two-photon polymerization），這是一種能夠在納米尺度上創建結構的高精度 3D 列印技術。

• 透鏡數量： 團隊成功在一個彎曲的柔性表面上製造了 1,027 個獨立的微透鏡（小眼）。
• 尺寸： 整個光學組件的佔地面積僅為 1.5 x 1.5 毫米，體積小到足以用於最緊湊的微型飛行器（Micro-aerial vehicles）。
• 視野： 透鏡的彎曲排列賦予感測器 180 度的全景視野，顯著優於通常限制在 60-90 度的標準平面感測器相機。

這種廣闊的視野對於避障至關重要。在動態環境中，機器人不僅需要「看到」正前方的物體，還需要看到從側面靠近的物體。仿生眼的幾何結構確保了外圍盲區幾乎被消除。

高速運動追蹤

果蠅視覺最顯著的特徵之一是其反應速度。人眼的閃爍融合頻率（Flicker fusion frequency）——即間歇光看起來趨於穩定的速度——大約為 60 Hz，而昆蟲則在更高頻率下運作。SIMIT 仿生眼達到了 1,000 Hz（1 kHz）的閃爍融合頻率。

這種能力使感測器能夠以極高的清晰度檢測快速移動的物體。對於飛越茂密森林的無人機或在墜落碎石中導航的救援機器人來說，這種毫秒級的反應時間就是成功規避與發生碰撞之間的差別。

雙重感官優勢：整合視覺與嗅覺

這款仿生眼最具創新性的方面或許是其「視覺-嗅覺」融合。在自然界中，昆蟲不只依賴視覺；它們還利用氣味來定位食物、配偶和危險。研究人員透過在視覺系統中直接整合比色嗅覺感測器陣列（Colorimetric olfactory sensor array）來複製這一特性。

「電子鼻」的工作原理

嗅覺組件由位於設備結構內的印刷化學感測器陣列組成。這些感測器利用比色指示劑——即暴露於特定化學化合物時會改變顏色的材料。

• 檢測機制： 當感測器遇到揮發性有機化合物（VOC）或危險氣體時，化學反應會導致感測器陣列產生明顯的顏色偏移。
• 視覺讀數： 由於嗅覺數據以顏色變化的形式呈現，視覺感測器基本上可以「看到」氣味。系統解讀這些顏色偏移，以識別特定化學物質的存在和濃度。

這種整合對於災害響應應用特別有價值。在建築物倒塌或化工廠洩漏等場景中，配備此類感測器的機器人可以在視覺導航穿過瓦礫的同時，檢測隱形的有毒氣體洩漏或倖存者的化學信號。

對比分析：仿生感測器與傳統感測器

為了理解這項進步的重要性，將新型 SIMIT 仿生眼與目前商業機器人中使用的標準相機模組進行對比非常有用。

表 1：機器人視覺系統技術對比

機器人與人工智能（AI）的未來應用

視覺-嗅覺仿生眼的開發為人工智能在物理世界的部署開闢了新途徑。由中國科學院研究人員領導的 SIMIT 團隊預見了這項技術的幾項立即應用。

自主微型無人機

目前的無人機技術往往受限於感測器負載的重量。高解析度相機和 LiDAR 系統對於昆蟲級無人機來說可能太重。仿生眼的輕量化特性允許創建「微型無人機」（MAVs），它們可以飛行更長時間，並以昆蟲般的靈活性進行機動。這些無人機可以成群部署以繪製環境地圖或監測農作物。

災害救援與搜索營救

在搜索營救行動中，時間至關重要。裝備了這些感測器的機器人可以被部署到人類或搜救犬難以進入的狹小裂縫中。高速視覺將使它們能夠在不發生碰撞的情況下快速導航，而嗅覺感測器則可以嗅出生命的化學痕跡或危險洩漏，提供一個能顯著增加挽救生命機會的雙層檢測系統。

醫療機器人

除了現場機器人，該技術對醫療設備也有潛在影響。用於製造 1.5 毫米感測器的微型化技術可以適配內窺鏡儀器。內窺鏡上的「仿生尖端」可以為醫生提供更寬廣的體內視野，並可能在手術過程中檢測疾病的化學標記（如特定的組織氣味或細菌副產物）。

結論

中國科學院研製的 1,000 透鏡仿生眼代表了生物學、納米技術和機器人技術的融合。透過向自然界尋求啟發，科學家們設計出了一種克服了傳統機械相機固有局限性的感測器。隨著這項技術從實驗室走向商業應用，它有望賦予下一代機器人一種感知水平，這種感知不僅在速度和廣度上超越人類，而且與周圍世界的化學現實深度契合。對於 AI 行業而言，這強調了一個關鍵轉變：智能不僅在於處理數據，還在於透過更聰明、更高效且受生物啟發的感官來收集數據。