IEEE MEMS2025 | 仿生复合眼用于无人机视觉系统

逍遥设计自动化

引言
, X( K0 J  Y$ K& I8 ]随着仿生工程领域的不断发展，自然界为技术创新提供了令人瞩目的灵感来源。果蝇的复合眼结构已成为开发先进视觉系统的典范。这种生物结构以其微小的尺寸、广阔的视场和对运动的极高敏感度，现已成为新一代无人机视觉系统的设计基础[1]。
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图1：配备仿生复合眼的无人机的光学图像。比例尺显示1厘米，展示了系统的紧凑性质。
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& l/ d7 z" G0 K! Z: c* T% d0 E设计与制造工艺
' h: N  y3 a+ _, E) {仿生人工复合眼的开发涉及多种技术的精密集成。制造过程始于在硅片上使用聚酰亚胺溶液创建柔性基底。这个基础对于实现最终器件的柔性和耐久性起着决定性作用。制造过程继续进行量子点溶液的应用和微透镜阵列的集成，所有步骤都经过精心设计，以模仿天然复合眼结构。

) d3 J" M: m  q# X. r该设计的一项重要创新是实现了具有120°交叉布线寻址采集的蛇形曲线阵列布局。这种配置在保持实际应用所需柔性的同时，确保了最佳覆盖范围和灵敏度。器件接口采用金电极，通过各向异性导电膜键合工艺连接，提供可靠的电气连接。

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: S# V; X/ O7 L5 y4 `  @图2：构建的简单成像平台结构。图像显示了测试设置，包括可调节功率的点光源和可编程移动平台，对于评估器件性能至为重要。

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视觉处理与成像能力
# `( t- p% V: L) {# t该系统在视觉处理方面表现出显著能力，特别是在捕捉和分析移动目标方面。初步测试显示对简单目标形状有明显的区分响应，在轮廓检测方面表现突出，但在捕捉精细形态细节方面存在一定局限性。
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图3：对"VISION"的初步视觉成像结果。展示了系统捕捉和处理视觉信息的能力，显示了a)和b)两个视角的成像能力。
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目标检测与运动分析
该人工复合眼系统最令人印象深刻的特点之一是检测和跟踪移动目标的能力。通过实施空间位置复合眼激活模型，系统能够有效分析目标运动。通过测量激活的单眼分布，系统可以确定包围面积和重心坐标等各种参数，这些参数与目标的空间运动状态相关联。

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图4：不同位置和时间的移动目标检测结果。该图显示了系统在三维空间中跟踪物体的能力，清晰标示了起始位置、安全距离和检测到的物体。
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系统集成与实际应用
该技术的实际实施涉及与无人机系统的精密集成。器件的超薄设计和柔性特性使其特别适合无人机应用，在这类应用中重量和尺寸限制是关键因素。系统快速处理视觉信息的能力使其特别适合在复杂环境中进行实时导航和避障。

复合眼与无人机平台的集成代表着仿生机器人技术的重大进步。这种组合增强了空间感知能力和导航能力，特别是在传统视觉系统可能面临困难的复杂环境中。

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3 ]! Y) A, o+ U( B# F5 |6 B* n发展趋势与结论
这种仿生人工复合眼的开发在无人机视觉系统领域取得了显著进展。结合高速响应、超薄设计和广泛的曲率半径的能力，使这项技术在机器人和自主系统的各种应用中具有实用价值。
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# g  U6 C# B1 N/ J$ P7 \该实现方案的成功展示了仿生设计在解决复杂工程挑战方面的潜力。随着技术的持续发展，在无人机集群、自主导航等需要精确视觉感知的领域，预期将出现更多先进应用。
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这种创新的视觉感知方法为开发更先进的自主系统提供了新的方向，特别是在需要快速响应时间和精确空间感知的应用中。生物启发与尖端技术的结合，将推动机器人和无人机以更高的精度和效率导航其环境。
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参考文献
[1] J. Wang, F. Zhao, W. Liu, N. Qin, and T. H. Tao, "A Flexible and Ultrasensitive Artificial Compound Eye Using Bionic Micro-Lens Array for Drone Vision," IEEE MEMS 2025, Kaohsiung, Taiwan, 19-23 January 2025, pp. 20-23.
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