猫眼如何启发机器人的照相机技术发展

珀西·肖（Percy Shaw）于1933年一个大雾瀰漫的夜晚驾车回家时，路边出现一道光，令他猛然停下。

传说那是一只猫，其眼睛反射了汽车头灯的光线，并将光直接反射回他眼中。

珀西的外甥孙女格伦达·肖（Glenda Shaw）在2022年接受BBC《见证历史》（Witness History）播客访问时表示：“这就是其中一种偶然事件。他看到某样反射光的东西，促使他停了下来，而当他仔细查看时，才意识到自己正处于错误的行车道上。如果他继续直行，就会坠落悬崖。”

那一刻不仅救了他一命，也被认为启发了肖发明用于道路标线的反光道路标记，在他的祖国英国通常被称为“猫眼”（猫眼路钉）。

到肖于1976年去世时，猫眼已被生产了约1500万枚。这些道路标记及其各种变体至今仍在世界各地的道路上使用。

据其外甥孙女所述，肖是透过“反复试验”完成这项发明的。

她说：“他并不懂物理、反射、折射和角度这些知识，他只是靠自己摸索出来。”

虽然他的设计并非直接以猫眼结构为基础，但肖尝试利用玻璃珠重现当晚所见的反射效果。

猫眼如何“发光”

然而，真正的猫眼之所以在黑暗中看似发光，是因为视网膜后方有一层名为脉络膜反光层（tapetum lucidum）的反射组织。

田纳西大学（University of Tennessee）兽医眼科医生兼临床副教授布雷迪·富特（Braidee Foote）解释说，这是一种人类所没有的特殊结构。

这个拉丁文意为“明亮挂毯”的反射层，会使猫眼犹如自身的镜子，改善牠们在弱光环境下进行夜间猎食时的视力。它让眼睛能有第二次机会捕捉原本可能流失的光线。

富特说：“每当一道光线未能击中光感受器时，就被视为一条流失的光线。”但在拥有脉络膜反光层的眼部区域，光线会从该结构反弹，并可能击中另一个光感受器。

富特表示：“之所以看起来像是非常明亮地反射回来，是因为在夜间光线不足时，瞳孔会大幅扩张。”这也使部分反射光能够再次射出眼外。

这种反光的颜色因猫而异，可由橙色、黄色至绿色不等，取决于其组织中的色素。

不过，拥有这种反射层的远不止猫而已，这也是为何你可能会注意到其他动物的眼睛同样会发光。

富特说：“狗、猫、马、牛，所有这些动物都有脉络膜反光层。”

猫眼相机

在肖的发明问世数十年后，现代工程师如今正以猫眼解剖结构为灵感，研发高科技相机技术，供机械人（机器人）、无人机及自动驾驶车辆使用。

韩国科学技术院（KAIST）电机工程教授宋运民（Prof Young Min Song；音译）希望打造一款能在各种光线条件下运作，同时能从杂乱环境中辨识目标的相机。

为此，他首先尝试模仿猫的脉络膜层。

在真正的猫眼中，这一结构由含有核黄素（riboflavin）及锌形成的棒状晶体细胞组成，排列方式能有效反射光线。

宋运民表示，要透过化学工程复制这种奈米（纳米）结构过于困难，因此团队改为在影像感测器后方使用高反射性的银材料来制造人工反射层，成功将相机对可见光的吸收能力提升52%。

接下来，宋运民将目光转向猫眼另一项显著特征，即在强光下会形成狭窄垂直裂缝状的瞳孔。

研究显示，这可能有助猫判断距离，使牠们能在周围植被形成的杂乱背景中锁定伏击猎物。

宋运民心想：“如果我开发具备垂直瞳孔的猫眼启发式相机，它或许能有效消除所有背景噪讯，让目标变得清晰可见。”

现代电脑视觉系统已能将目标物从复杂场景中分离出来，就像智能手机的人像模式能模糊人物身后的背景。但要做到这点，通常需要相当大的运算能力。

宋运民的想法，是把部分这种能力直接整合到相机本身，方法是在控制光线进入感测器的镜头光圈上，采用受猫眼启发的垂直瞳孔形状设计。

为验证这个构想，宋运民的团队分别使用一般圆形光圈和垂直形光圈，拍摄带有杂乱背景的目标物。

使用圆形光圈时，目标物和背景杂乱元素都保持清晰；但使用垂直光圈时，目标物明显更为突出。

目前，这种光圈仍需手动更换，未能像猫眼一样根据光线强弱自动调节。宋运民表示，希望未来能解决这项挑战。

其他值得模仿的眼睛

除了受猫眼启发的相机外，宋运民与同事还研发了多款模仿其他动物眼睛的相机。他相信，大自然中蕴藏着数以百计可供借鉴的设计灵感。

谈到其于2013年在伊利诺大学厄巴纳－香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）期间设计、以苍蝇复眼为蓝本的相机时，他表示：“苍蝇拥有凸出的眼睛，能够同时看见四面八方。”

“它具有极广阔的视野和非常快速的物体辨识能力。”他认为这非常适合用于机械人无人机。

他的实验室研发的另一款相机则模仿鹰眼结构，同样适用于此。该相机能在视野中央捕捉清晰、放大的影像，同时保留周边广阔但解析度较低的视野。

他说：“你可以思考，哪一种动物最适合特定应用。”

他目前正研究跳蛛（jumping spider），并认为其拥有自然界最独特的视觉系统之一。

宋运民说：“牠们总共有八只眼睛⋯⋯前面、侧面，甚至后面，因此能看见四周所有方向。同时，牠们的前眼仅凭单眼就能精确判断深度。”

他解释，这些蜘蛛之所以能高精度估算距离，是因为牠们拥有层叠式视网膜，使牠们能够进行极为准确的跳跃，而不会错失目标。

宋运民表示，依据同样原理建造的相机，可应用于需要极高距离测量精度的任务，例如导弹导引系统。

宋运民指出，虽然现今大多数相机系统，例如智能手机中的相机，主要是模仿人类眼睛，但受动物视觉启发的相机未来可望在“机械人、工业、无人机或任何下一代机械人系统”中发挥专门用途。

本文原以英文撰写，我们使用了人工智能协助翻译，并由BBC记者在发布前进行审核。了解更多关于我们如何使用人工智能的资讯。