貓眼如何啟發機器人的照相機技術發展

• • Author, 凱薩琳·希斯伍德（Catherine Heathwood）
  • Role, BBC國際部

• Published 10 分鐘前

• 閱讀時間: 4 分鐘

珀西·肖（Percy Shaw）於1933年一個大霧瀰漫的夜晚駕車回家時，路邊出現一道光，令他猛然停下。

傳說那是一隻貓，其眼睛反射了汽車頭燈的光線，並將光直接反射回他眼中。

那一刻不僅救了他一命，也被認為啟發了肖發明用於道路標線的反光道路標記，在他的祖國英國通常被稱為「貓眼」（貓眼路釘）。

到肖於1976年去世時，貓眼已被生產了約1500萬枚。這些道路標記及其各種變體至今仍在世界各地的道路上使用。

據其外甥孫女所述，肖是透過「反覆試驗」完成這項發明的。

她說：「他並不懂物理、反射、折射和角度這些知識，他只是靠自己摸索出來。」

雖然他的設計並非直接以貓眼結構為基礎，但肖嘗試利用玻璃珠重現當晚所見的反射效果。

貓眼如何「發光」

然而，真正的貓眼之所以在黑暗中看似發光，是因為視網膜後方有一層名為脈絡膜反光層（tapetum lucidum）的反射組織。

田納西大學（University of Tennessee）獸醫眼科醫生兼臨床副教授布雷迪·富特（Braidee Foote）解釋說，這是一種人類所沒有的特殊結構。

這個拉丁文意為「明亮掛毯」的反射層，會使貓眼猶如自身的鏡子，改善牠們在弱光環境下進行夜間獵食時的視力。它讓眼睛能有第二次機會捕捉原本可能流失的光線。

富特說：「每當一道光線未能擊中光感受器時，就被視為一條流失的光線。」但在擁有脈絡膜反光層的眼部區域，光線會從該結構反彈，並可能擊中另一個光感受器。

富特表示：「之所以看起來像是非常明亮地反射回來，是因為在夜間光線不足時，瞳孔會大幅擴張。」這也使部分反射光能夠再次射出眼外。

這種反光的顏色因貓而異，可由橙色、黃色至綠色不等，取決於其組織中的色素。

不過，擁有這種反射層的遠不止貓而已，這也是為何你可能會注意到其他動物的眼睛同樣會發光。

富特說：「狗、貓、馬、牛，所有這些動物都有脈絡膜反光層。」

貓眼相機

在肖的發明問世數十年後，現代工程師如今正以貓眼解剖結構為靈感，研發高科技相機技術，供機械人（機器人）、無人機及自動駕駛車輛使用。

韓國科學技術院（KAIST）電機工程教授宋運民（Prof Young Min Song；音譯）希望打造一款能在各種光線條件下運作，同時能從雜亂環境中辨識目標的相機。

為此，他首先嘗試模仿貓的脈絡膜層。

在真正的貓眼中，這一結構由含有核黃素（riboflavin）及鋅形成的棒狀晶體細胞組成，排列方式能有效反射光線。

宋運民表示，要透過化學工程複製這種奈米（納米）結構過於困難，因此團隊改為在影像感測器後方使用高反射性的銀材料來製造人工反射層，成功將相機對可見光的吸收能力提升52%。

接下來，宋運民將目光轉向貓眼另一項顯著特徵，即在強光下會形成狹窄垂直裂縫狀的瞳孔。

研究顯示，這可能有助貓判斷距離，使牠們能在周圍植被形成的雜亂背景中鎖定伏擊獵物。

宋運民心想：「如果我開發具備垂直瞳孔的貓眼啟發式相機，它或許能有效消除所有背景噪訊，讓目標變得清晰可見。」

現代電腦視覺系統已能將目標物從複雜場景中分離出來，就像智能手機的人像模式能模糊人物身後的背景。但要做到這點，通常需要相當大的運算能力。

宋運民的想法，是把部分這種能力直接整合到相機本身，方法是在控制光線進入感測器的鏡頭光圈上，採用受貓眼啟發的垂直瞳孔形狀設計。

為驗證這個構想，宋運民的團隊分別使用一般圓形光圈和垂直形光圈，拍攝帶有雜亂背景的目標物。

使用圓形光圈時，目標物和背景雜亂元素都保持清晰；但使用垂直光圈時，目標物明顯更為突出。

目前，這種光圈仍需手動更換，未能像貓眼一樣根據光線強弱自動調節。宋運民表示，希望未來能解決這項挑戰。

其他值得模仿的眼睛

除了受貓眼啟發的相機外，宋運民與同事還研發了多款模仿其他動物眼睛的相機。他相信，大自然中蘊藏著數以百計可供借鑑的設計靈感。

談到其於2013年在伊利諾大學厄巴納－香檳分校（University of Illinois Urbana-Champaign）期間設計、以蒼蠅複眼為藍本的相機時，他表示：「蒼蠅擁有凸出的眼睛，能夠同時看見四面八方。」

「它具有極廣闊的視野和非常快速的物體辨識能力。」他認為這非常適合用於機械人無人機。

他的實驗室研發的另一款相機則模仿鷹眼結構，同樣適用於此。該相機能在視野中央捕捉清晰、放大的影像，同時保留周邊廣闊但解析度較低的視野。

他說：「你可以思考，哪一種動物最適合特定應用。」

他目前正研究跳蛛（jumping spider），並認為其擁有自然界最獨特的視覺系統之一。

宋運民說：「牠們總共有八隻眼睛⋯⋯前面、側面，甚至後面，因此能看見四周所有方向。同時，牠們的前眼僅憑單眼就能精確判斷深度。」

他解釋，這些蜘蛛之所以能高精度估算距離，是因為牠們擁有層疊式視網膜，使牠們能夠進行極為準確的跳躍，而不會錯失目標。

宋運民表示，依據同樣原理建造的相機，可應用於需要極高距離測量精度的任務，例如導彈導引系統。

宋運民指出，雖然現今大多數相機系統，例如智能手機中的相機，主要是模仿人類眼睛，但受動物視覺啟發的相機未來可望在「機械人、工業、無人機或任何下一代機械人系統」中發揮專門用途。