人眼级仿生眼球？国防科大开发1.8克BES，微型化与功能集成度兼具

得益于广角自适应调节、高速动态响应以及自主决策与感知能力，近年来机器视觉系统在通用人形机器人、虚拟现实和智能辅助驾驶等新兴领域展现出显著优势，并受到广泛研究关注。仿生视觉系统通过模拟生物眼睛的宽视场调节与快速运动跟踪机制，已成为人形及仿生机器人领域极具前景的视觉解决方案。

然而，这类融合了光学、机械、电子与计算等多领域技术的高集成度智能微系统，仍面临诸多挑战。目前，受制于传统运动部件的制造方法与驱动方式，视场调节机构的设计仍主要依赖于全刚性结构与微型驱动电机。此类结构通常体积较大（数十立方厘米）、重量较重（数百克），严重限制了机器人头部的有效负载能力，并阻碍了其在对于尺寸、重量更为敏感平台（如紧凑型仿生机器人）上的应用。

因此，开发能够在光学成像系统、视场调节机构与目标识别算法之间实现协同优化与多维性能深度集成的仿生视觉系统，具有重要的科学研究意义与工程应用价值。该系统应兼具轻量化紧凑型结构、高分辨率成像能力、大视场多自由度动态调节特性以及强大的环境适应性。

▍开发BES视觉系统：实现具有人眼解剖学等效特征的仿生眼球系统

针对仿生视觉系统所面临的突出问题，国防科技大学智能科学学院吴学忠教授与肖定邦教授团队受人类眼球生理结构启发，研制出一种基于三自由度折纸机构的新型仿生眼球系统（BES），成功突破了传统机电式仿生眼球在物理尺寸与功能集成度之间难以权衡的技术瓶颈。

BES在视场调节能力方面达到人眼水平，单眼视场范围超过151.6° × 151.6°，整体尺寸仅为Φ23 mm × 15 mm，重量仅为1.8 g。此外，BES在实现高度轻量化的同时保持了优异的功能集成度：在运动与成像性能方面，BES展现出高速扫视能力（4382°/s）与高动态追踪能力（532°/s），并支持人机协同交互控制与主动变焦功能；在基于视觉注意机制的主动目标锁定实验中，BES展现出类人眼水平的平滑追踪能力，能够有效完成对目标的识别、锁定与跟踪任务。

据研究团队介绍，这项通过融合空间适应性、运动兼容性与认知决策能力的工作，使得BES成功突破了传统仿生视觉系统在微型化与功能完整性之间的协同优化，为解决高集成度视觉系统的设计挑战提供了新方案。

相关研究以“Micro Biomimetic Eyeball for Humanoid Robots: A Visual System with High-Density Functional Integration Based on an Origami Mechanism”为题发表于国际顶级期刊《Advanced Science》上。国防科技大学智能科学学院博士研究生蒲俊吉为论文的第一作者；肖定邦教授、吴宇列研究员、蒲俊吉博士研究生为论文的通讯作者；吴学忠教授、尹灿辉助理研究员、曲春燕讲师、陈洋硕士研究生为论文的共同作者。

▍独特创新设计，三自由度微型折纸机构的巧妙应用

• 基于解剖学等效特征的架构设计

人类视觉系统的精密结构与调控机制为BES提供了极具价值的生物原型。解剖学研究表明，人眼通过晶状体—视网膜光学成像模块、巩膜支撑结构及六块眼外肌构成的动态调控系统，实现了超宽视场感知与毫秒级响应速度的完美协同。这种天然的多模态感知—调控一体化架构，为突破现有仿生视觉系统在结构复杂度与功能完备性间的固有矛盾提供了重要启示。受这一启发，具有全新架构的BES包含四个核心模块：（i）微型摄像头，模拟晶状体的瞳孔—晶状体成像功能；（ii）基于压电驱动的毫米级折纸机构，通过刚柔耦合拓扑设计将驱动单元精简至三个支链，在保持三自由度（1平移+2旋转）精确调控能力的同时，显著降低系统复杂度；（iii）仿巩膜保护结构；（iv）仿眼外肌支撑结构。

图1. 仿生眼球系统（BES）

• 基于主、被动平台协同设计的微型折纸机构（MOM）

突破仿生眼球系统高集成化与轻量化瓶颈的核心，在于解决强体积约束下视场调节平台双自由度大范围旋转与高动态响应的兼容性难题。为此，该工作通过提出一种三棱柱微型折纸机构MOM（Φ20 mm × 12 mm），在确保BES具备类人眼运动功能的同时，可以适应人类椭球形眼球的极端空间限制。MOM的核心创新点在于主动旋转工作台（ARS）与被动旋转工作台（PRS）的协同设计：ARS通过四杆压电驱动系统提供基本位移输入，而带有三条运动链的PRS实现末端位移输出。这种协同作用使得系统实现了俯仰、偏航和轴向运动。

图2. MOM的结构特性与仿生设计原理

▍告别传统制造，折纸工艺实现从平面到立体的折叠成型新范式

近年来，基于折叠-展开加工技术的多尺度制造工艺（折纸工艺）已突破传统机械加工技术、MEMS技术及3D打印技术的瓶颈，构建了克级重量与毫米级尺寸协同实现的高精度复杂机构设计框架。该技术通过对多层复合材料（包括刚性骨架层、柔性连接层与粘接层）选择性平面化去除，制备出跨介观—微观尺度的刚柔复合型拓扑结构，为微机械系统的高功能密度与结构轻量化设计提供了协同优化路径，这一技术也成为了最有望突破视场调节机构微型化设计的手段。此外，相较于气动执行器、微型电机、电磁驱动器、人工肌肉及介电弹性体，微型压电执行器凭借其亚纳米级定位精度、微秒级动态响应速度与超低功耗的能效优势，成为微型折纸运动机构的核心驱动解决方案。为此，该工作将折纸工艺与压电驱动技术进行有机整合，实现了BES的高精度微米级制造与集成。

图3. 基于折纸工艺的BES制造与集成

▍多工作模式自如切换，压电致动器协调控制机制

理想的视场调节平台，如成熟的商业云台，可以通过输入信号调制实现视场角与方位的快速切换。而针对面临更复杂动力学约束的BES，尽管通过三通道驱动信号的幅值—相位全调节的方式可实现对其精准视野调控，但这对微型刚柔耦合机构的动力学建模提出了极高要求。为此，该研究提出了基于并联运动学架构的相位协同简化策略：在固定驱动幅值条件下，通过调控驱动单元间动态相位差，实现多工作模式的快速切换。该方法在允许误差范围内（单自由度旋转运动耦合率（伴随角位移/有效角位移）<5.8%）显著降低了控制复杂度，从而实现BES两自由度大范围扫视与单自由度变焦之间的自由切换。

图4. MOM的动态相位协同调节机制

▍从综合评估到精准破局：运动链拓扑优化策略，实现角位移性能跨越式提升

BES系统的力学性能是其实现复杂视觉功能的基础。其中，角位移性能作为影响大视场扫描的关键，更是破题的核心。为此，研究团队首先通过模块化测试平台，系统表征了其角位移、响应速度与工作带宽等多维性能。在此基础上，通过对核心运动链进行拓扑优化，成功构建了一个受六项力学指标协同约束的角位移提升框架。此外，研究还通过建立MOM的刚柔复合型运动学与动力学模型，从设计层面揭示了运动链镂空尺寸比对系统性能的影响机理。通过对MOM结构尺寸与材料的综合优化，BES系统在实现微型化（Φ23 mm × 15 mm，重1.8 g）与低功耗（1 Hz下仅275 mW）的同时，更展现出卓越的运动性能：其俯仰-偏航复合运动范围超过±31.8°，扫描峰值角速度高达4382°/s，达到人眼极限的4.8倍。

图5. 多工作模式下BES的机械特性表征

▍BES如何赋能人形机器人？高密度功能集成度的仿生视觉使得海量信息一“目”了然

为在非结构化环境中执行复杂交互任务，人形机器人需具备类人眼的渐进式视觉感知与控制能力。该研究提出，人形机器人视觉系统应构建三级感知控制体系：首先通过三维场景建模建立空间认知，再借助后端干预实现精准物理交互，最终获取目标物体的高分辨率视觉表征。

为实现上述目标，系统依赖于四个关键开环控制模块的协同工作：

• 动态视场扫描：快速捕捉环境特征，实现实时场景构图；
• 高速动态成像：采集高动态目标的关键视觉信息；
• 人机协同控制：通过人工干预实现特定视角下的目标成像；
• 主动变焦机制：动态调整观测距离，确保目标持续清晰识别。

研究团队基于MOM的多工作模式与高速运动性能，成功在BES系统中实现了上述全部功能，具体表现为：i）具备151.6° × 151.6°的单眼大范围扫视视场；ii）平滑追踪角速度达532°/s，为人眼生理极限的17.7倍，可精准捕获高速运动目标；iii）同时集成人机协同控制与±5.3 mm的主动变焦能力。

这些功能的集成与协同，标志着BES在机器人视觉-动作闭环能力方面迈出关键一步。

图6. 多场景下BES的开环控制性能验证

图7. BES的闭环反馈控制性能验证

对于仿生视觉而言，其核心挑战在于将光学信息转化为具有决策价值的环境认知表征，进而应用在多类别物体识别判定、视觉注意跟随等更为复杂多样的现实交互任务中。为此，研究团队在完成开环控制性能验证的基础上，进一步引入基于视觉注意机制的目标识别算法，使BES系统具备了多目标快速识别、主动锁定与轨迹跟踪能力，实现了接近人眼水平的平滑追踪运动。

该系统在视觉功能集成方面取得的突破表明，本项工作不仅成功突破了传统仿生视觉系统在微型化与功能完整性之间的设计权衡，更构建出一种兼具空间适应性、运动兼容性与认知决策能力的新型视觉解决方案。该成果为微型仿生视觉系统在面部表情识别、视觉导航等复杂场景中的实际部署与应用提供了重要的技术基础。

参考文章：https://doi.org/10.1002/advs.202515479