仿生眼：如何仿制大自然最精密聪慧的作品？
仿生眼：如何仿制大自然最精密聪慧的作品？
仿生眼作为人工智能领域的重要研究方向，其发展不仅关乎机器视觉技术的进步，更可能引领人工智能走向新的纪元。本文将带你深入了解仿生眼的研究历程、技术原理及其在人工智能领域的应用前景。
仿生眼的诞生与进化
5亿年前的寒武纪时代，某种海洋蠕虫的神经组织突变出一种感光细胞，从而诞生了眼睛，引发了生物界的物种大爆发。此后，眼睛作为生物最重要的感知器官随着物种的进化而不断改进。目前自然界有代表性的眼睛有四种：脊椎动物的双眼（人眼、鹰眼、兔眼、鱼眼、蛙眼等），软体动物（鱿鱼、章鱼等）的双眼，蛛形纲（蜘蛛、蝎子等）的固定多目（多只单眼），昆虫纲（蜻蜓、蝇、蚊、蝶等）的复眼。
仿生眼的技术原理
通过人类在视觉处理流程中从低级到高级的不同线索抽取出来的视觉信息特征，加之视觉系统依赖的组织规则（如相似性、接近性和良好的连续性），可以很好地获取所需要的信息。本图就是一个通过多条线索抽取视觉信息的例子。首先，分析视觉环境的简单属性（底层处理）。这些底层特征被用来解析视觉场景（中间层处理），将局部视觉特征组装成曲面；将对象从背景中分离出来（曲面分割）；将局部方向集成到全局轮廓中（轮廓积分）；并从阴影和运动线索中识别曲面形状。最后，使用曲面和轮廓来识别对象（高级处理）。
仿生眼的系统架构
作者团队开发的仿生眼BinoSense-S500，融合了作者及其团队在机器人视觉领域、神经生理学领域和仿生学领域三十多年的研究成果，从人眼的生理解剖结构和其运动控制神经系统的拓扑描述出发，通过建立生物视觉系统的数学模型，解析视觉信息在大脑中的处理流程、搭建类脑框架、推测意识的形成及智能决策的过程，直到设计眼球运动控制系统，构建了从感知到理解，再到决策，最后到运动控制的较完整的闭环的自主智能仿生眼系统。
仿生眼的应用前景
在解决了仿生眼的关键问题后，其直观的应用方向就是作为机器人的眼睛嵌入机器头脑中，帮助机器人具备类似人眼的强大视觉能力，作者团队也基于已研发的仿生眼系统设计研制了人形机器头脑系统。图为作者团队研制的机器头脑BinoSense R100。图（a）展示了以机器头脑BinoSense R100 为核心的机器人系统具备智能语音识别、语音指令交互、眼神交互、场景物体分割与识别、自主避障移动等能力。图（b）则展示了机器头脑BinoSense R100 辅助机器人完成了从检测识别和精准定位任意摆放的不规则物体的能力，并且帮助机器人进行双臂运动规划，使机器人能够全程注视、准确抓取不规则目标物体。
仿生眼的未来展望
视觉的背后是智能，是意识。由于“仿生眼”是包含脑干、小脑、大脑功能的完整智能仿生系统，仿生眼的研究会带来类脑研究的新一轮技术突破，引发人工智能新纪元。不同于激光雷达、TOF 和固定双目，仿生眼无论在信息量、可视距离、测量精度上，还是在识别、判断能力上都具有更全面的优势。而且仿生眼可以根据人工智能的“主观意志”去主动观测“想要”看的物体和部位，是人工智能走向自主意识的关键要素。特别是当仿生眼脱离人工标定，实现自动和自主标定后，将会进一步实现身体各部位的全面标定，这项功能会使机器人在诞生那一刻起就可以完全脱离人类对它的操作，具备自适应和独立生存的能力。
结语
大自然是不分学科的。无论你来自哪个学术领域，或者你并不在学术圈内，阅读该书，都将从中获益。张晓林系统且完整地考察了大自然中千姿百态的眼睛和其中蕴含的视觉智慧和哲理，从美丽的果蝇复眼、蜘蛛的单眼、高瞻远瞩的鹰眼，到聪慧的人眼等。张晓林和他的团队从仿生眼的结构与控制研发起步，跨越仿生眼的结构设计、硬件系统、信息传输、位姿控制、图像处理、定位导航、云计算、芯片设计等多个领域。不同于激光雷达、TOF（time of flight，时间飞跃法）和固定双目，仿生眼无论在信息量、可视距离、测量精度，还是在识别、判断能力上都具有更全面的优势。仿生眼包含眼球运动控制系统、图像处理系统、分析判断系统、决策系统及执行系统。所以，仿生眼不是一种被动式视觉传感器，而是可以主动观测“我要看”的物体和部位，主动解析外部世界，这是人工智能走向自主意识的关键要素。所以，张晓林指出“视觉的背后是智能，是意识”是很有启发性的。
当代科学与技术正处在大发展、大交叉、大融合的时代，正在向微观、介观、宏观、宇观进军；正在向深海、深空、量子、超算、大数据、大模型、通用智能、脑海深处进军。生命科学、物质科学、信息科学和智能科学正在相互照亮。仿生眼的研发也迎来了新的发展机遇，让我们期待中国的仿生眼研究在仿生-视觉-智能-意识的赛道上腾飞。
郭爱克
中国科学院院士
中国科学院生物物理研究所
中国科学院大学
2024 年3 月于珠海