仿生学创新：受鸟眼启发的相机设计

研究人员开发了一种新型相机，其灵感来自鸟类眼睛的结构和功能。基础科学研究院(IBS)纳米粒子研究中心教授金大亨(音)和光州科学技术研究院(GIST)教授宋永敏(音)共同开发了以钙钛矿为基础的物体探测专用相机。

　　

像鹰这样的猛禽的眼睛可以在几公里外准确地发现猎物。是否有可能模仿鸟的眼睛来模拟相机技术?研究人员开发了一种新型相机，其灵感来自鸟类眼睛的结构和功能。韩国基础科学研究院(IBS)纳米粒子研究中心教授KIM Dae-Hyeong和光州科学技术研究院(GIST)教授SONG Young Min共同开发了以钙钛矿为基础的物体探测专用相机。

自然界中不同生物的眼睛已经进化和优化，以适应它们的栖息地和生存环境。鸟类的眼睛也具有独特的结构和视觉功能，这是鸟类经过无数年的进化，适应了高海拔的生活和飞行环境。在动物的视网膜上，有一个叫做中央窝的小坑，它能折射进入眼睛的光线。与人眼的浅中央窝不同，鸟类的眼睛有很深的中央窝，可以在很大程度上折射入射光。视锥密度最高的区域位于中央凹内，使鸟类能够通过放大清晰地感知远处的物体。这种特殊的视觉被称为注视点视觉。鸟类的眼睛有四种视锥细胞，它们对紫外线(UV)和可见光(红、绿、蓝;RGB)光。这种四色视觉使鸟类能够获得丰富的视觉信息，并在动态环境中有效地检测目标物体。

图片来源：Institute for Basic Science提供

受这些功能的启发，IBS研究团队设计了一种新型的相机，专门用于物体检测，结合了人工中央凹和多光谱图像传感器，可以响应UV和RGB。首先，研究人员通过模拟鸟类眼睛的深层中央中央凹来制造人工中央凹，并通过光学模拟优化设计。这使得相机可以放大远处的目标物体而不会造成图像失真。

然后，该团队使用钙钛矿，一种以其优异的电学和光学特性而闻名的材料，来制造多光谱图像传感器。利用吸收不同波长的不同钙钛矿材料制作了四种类型的光电探测器。最后将四个光电探测器垂直堆叠制成多光谱图像传感器。

使用变焦镜头来放大物体的传统相机的缺点是只聚焦在目标物体上，而不是其周围环境。另一方面，受鸟眼启发的摄像头既提供了中央凹区域的放大视图，也提供了周边区域的周围视图。通过对比两种视野，鸟眼启发相机可以实现比传统相机更大的运动检测能力。此外，该相机成本更低，重量更轻，因为它可以区分紫外线和RGB光，而无需额外的滤色器。

研究组通过模拟验证了开发的相机的物体识别和运动检测能力。在物体识别方面，新相机的置信度得分为0.76，是现有相机系统0.39置信度得分的两倍左右。与现有的相机系统相比，运动检测率也提高了3.6倍，表明对运动的灵敏度显著提高。

作者表示：“我们还开发了一种垂直堆叠光电探测器的新转移工艺。通过使用我们之前研究中开发的钙钛矿图像化方法，我们能够制造出无需额外滤色器即可检测UV和RGB的多光谱图像传感器。”“鸟类的眼睛已经进化到能够在飞行中快速准确地探测到远处的物体。我们的摄像头可以用于需要清晰探测物体的领域，比如机器人和自动驾驶汽车。特别是，在类似鸟类生活环境的无人机上，该摄像机具有很大的应用潜力。”这种创新的相机技术代表了物体检测方面的重大进步，在各个行业提供了许多潜在的应用。