仿生眼的应用,复眼的仿生应用有什么

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作者：杜迎春、邹强军

早在眼睛出现以前，一些原始生物就对光线刺激有了反应，从而可以根据外界光线变化来运动、觅食。眼睛是生物在亿万年的演变历程中，由简单到复杂、从单调到多元逐渐进化而来的，是很多动物包括人类在内，最复杂、最精密的器官之一。今天让我们来了解一下两栖动物——青蛙的眼睛有何奇妙之处及其仿生应用。

夏日的池塘边，一只蝇子在草丛里飞来飞去，它还不知道自己将要成为狩猎者的美食，只见一道“闪电”晃过，蝇子已经被青蛙卷入舌中。旁边草叶上趴着的蛾子被眼前的一幕吓呆了，缓过神儿的蛾子刚想振翅逃跑，就在起飞的一瞬间也被青蛙捕食了。青蛙是如何迅速敏捷地捕捉到飞来飞去的昆虫呢？其中的奥秘全在青蛙的眼睛里。青蛙的眼睛很奇特，他们看活动的东西极其敏锐，但对静止的东西却可以做到“视而不见”。青蛙的眼睛（见图1和图2）究竟藏着什么样的奥秘呢？

蛙眼的外部结构|文献[1]

蛙眼的生理结构|文献[2]

青蛙眼睛的视觉通路主要有两条信号传递途径（图3）：一条途径是视神经，它从视网膜发出，经由视交叉神经传递到视顶盖，继而投射到视中枢，刺激青蛙对水平运动目标产生捕食反应；另一条途径是经由视交叉神经传至背侧后丘脑，投射到丘脑前顶盖，激发青蛙对垂直运动目标的判断，即逃避反应[3]。

蛙眼视觉系统的神经通路|文献[3]

蛙眼的整个信息加工处理系统由视网膜和视顶盖组成（图4）。视网膜上有3层神经细胞，分别是感受细胞、双极细胞和神经节细胞[1]。神经节细胞又可分为四种：第一种细胞可以被称为“边缘侦察器”，只能感受运动目标的边缘，像树干、天空、湖岸的轮廓；第二种细胞我们可以叫它“昆虫侦察器”，它负责感受移动的昆虫；第三种细胞作用相当于“事件侦察器”，它承担感受亮度的变化；第四种细胞可以叫做“光强减弱感受器”，它用来感受目标光线减弱时阴影的暗色部分[1]。这“四种检测器”同时工作，每种机器负责记录目标物体的一部分光波信息，再将这些信息叠加在一起传递给蛙脑，形成完整的动态影像，这与全息投影的虚拟成像技术有些相似。因此，青蛙对活动的目标非常敏锐，但对静止的东西却“视而不见”。

蛙眼视觉信息处理示意图 |文献[1]

仿生学家从青蛙的眼睛中受到了启发，他们根据蛙眼的原理和结构发明了电子蛙眼。电子蛙眼可以像真的蛙眼一样，精准地识别活动的目标物体。电子蛙眼目前已经广泛地应用在军事、交通、民航等各个领域。

现代化的生活中，在交通要道的十字路口，随处可见的摄像头其实都是电子蛙眼的一种。电子蛙眼可以抓拍车辆或行人违规行为，防止碰撞事故的发生。在机场，电子蛙眼可以监控飞机的起飞与降落；若发现飞机出现异常状况，可以及时捕捉相关细节。例如：机场塔台的雷达里面装入电子蛙眼，就可以实时监控机场上方的飞机，并且可以把每架飞机的高度、速度、方位精确地传输到指挥塔台的电脑主机里面，指挥人员据此可以准确地遥控指挥飞机的起飞和降落（图5）。

蛙眼在交通中的应用|文献[4]

在现代化的军事战争中，把电子蛙眼装入雷达系统后，可以极高地提升雷达的抗干扰作战能力。携带蛙眼的雷达系统能快速精准地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。电子蛙眼就像孙悟空的“火眼金睛”，可以区别真假，防止以假乱真。例如：敌我双方交战，敌方导弹攻击我方目标；我方发射反导弹拦截对方的导弹。但敌方为了迷惑我方，有可能发射信号来扰乱我方的视线。战场上，敌人的飞机、坦克、舰艇、真假导弹都处于快速运动之中，要想克敌制胜，必须及时区分真假导弹。将电子蛙眼和雷达相结合，就可以像蛙眼一样，迅速敏锐地辨别真假击中目标（图6）。

蛙眼在军事中的应用|文献[5]

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参考文献：

[1]姜真，基于蛙眼视觉特性的运动目标检测与跟踪方法研究（硕士论文），湖南大学，2013,05，08,P21/64

[2]Grusser. O.J, Grusser Cornehls, U.Neurophysiology of the Anuran Visual System. In Frog Neurobiology, A Handbook, edited by R Llinas and W.Precht. Springer Verlag:New York.1976:297-385.

[3]刘俊敏，基于蛙眼视觉特性的运动目标分析研究(硕士论文)，湖南大学，2013,05，08， P26/65.

[4]南木，形形色色的仿生眼。科学24小时[J],2014,(Z1).7-8:79

[5]高育红，青蛙与电子眼.农村青少年科学探究[J]，2013,(Z1).12.

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什么是仿生眼，会给人类生活带来怎样的改变？

仿生眼，是通过仿造生物眼球，把摄像机捕抓的画面通过转化为电极信号的方式传递给神经的人造眼珠。它们可以让一些失明的人重获光明，也可以让一些视力障碍的人恢复视力，甚至有一些比较特殊工作的人，还可以通过特殊的仿生眼更好地开展工作。

让盲人重见光明。

部分盲人所以看不见，是由于眼球出了问题，如果能够得到别人的眼球捐赠的话，通过手术的方式也能够重见光明。但是我们的遗体捐赠目前还不是非常普遍，所以能够通过这种方式重见光明的盲人还比较少。但是有仿生眼的出现，则让他们重见光明变得更有可能。机械化的仿生眼，不需要长期的等待，只要有足够的资金支持就可以了。

让视力障碍者恢复视力。

近视、老花是我们日常生活中非常常见的视力障碍。而随着电子设备的发展，整天玩手机等电子设备的人视力越来越差，甚至就连小学生也非常普遍地出现了视力不好的“四眼仔”……而佩戴眼镜这样的方式，很多时候并无助于视力的恢复……反而会随着时间的转移而不断加深。

如果改用仿生眼，则可以让我们的视力自动进行调整，想看的东西可以自动调整焦距，视物距离会变得更加远，看东西也更加清晰……甚至还可能在夜里昏暗环境也能清晰视物……

帮助特殊工作者视物

长期从事电焊工作的人，由于电焊光强烈的刺激，对眼睛造成了很大的影响，视力也非常容易出现问题。如果有了仿生眼，就可以像相机镜头一样，补充对应的保护措施，即可避免受到视力伤害。而一些需要从事视频侦查工作的从业者，也可以借助仿生眼，更好更快地对视频信息进行记录、查看、检索……

当然，如果是警察的话，还可以结合数据库的信息，一起看看到的人物进行搜索，非常快速地进行身份确认。

写出仿生眼睛的动物名称和产地还有眼睛奇妙之处

蛙眼------电子蛙眼：监视飞机起降。
猫眼———微光夜视仪：漆黑的夜晚，猫能清楚地观察老鼠的一举一动并敏捷地抓住它。其原因在于猫眼的视网膜上具有圆锥细胞和圆柱细胞，圆锥细胞能感受白昼普通光的光强和颜色，圆柱细胞能感受夜间的光觉。一般只能在白天活动的动物如鸟、鸡等，它们的视网膜中常常只有圆锥细胞；而另一些只能在夜间活动的动物如猫头鹰，其视网膜上只有圆柱细胞。此外，猫眼还有一个特点，在它感受弱光时，瞳孔能够随着光的不同强度而自动调整。所以，在中午阳光很强时，你会看到猫眯着它的双眼，瞳孔已缩小成直线般的细缝，保证只让少量的光线进入瞳孔内。而在光线十分微弱的晚上，瞳孔又能放大呈圆形，以便保证在黑暗中也能看清楚各种物体。
鱼眼———鱼眼镜头：一般动物眼睛的视野或像场角是比较小的，只能看到眼睛前方的景物，而鱼眼的像场角很大，可以达到220度，不仅可以看到前面180度范围内的景物，还可以拐弯看到身体两侧往后的一些景物。仿照这种“眼观六路”的鱼眼制成的鱼目镜头，也具有200多度的像场角，比普通照相机的像场角扩大了3倍。
蜻蜓------被称为“飞行之王”的蜻蜓，头上有一双“灯泡”似的眼睛。将这对眼睛在显微镜下放大仔细观察，会发现里面密密麻麻，有着许许多多呈六角形的小眼睛。科学家计算，里面的小眼睛多达20000多只。有趣的是，蜻蜓的每一个小眼都可以独自成像。一个物体在蜻蜓的眼里有20000多个像。人们模仿苍蝇、蜻蜓和蟹等复眼光学系统的结构和功能特点，用许多块具有特定性质的小透镜，将它们有规则地紧密排列粘合起来，制成“复眼透镜”，用它作镜头制成的“复眼照相机”，一次就可以照出1329张相同的照片来。可以用来大量复制电子计算机的集成电路，可大大加快电子设备的生产速度。用在军事卫星侦察上，被派上了更大用场。