機器人長出仿生瞳孔：液態金屬仿遍貓羊烏賊，強光識別率飆升15%

機器人的眼睛，這次真的開竅了。

不是簡單的感光元件升級，不是算法層面的去噪優化，而是從硬件底層，長出了真正會思考會變形、能主動調節光線的瞳孔。

本周，《Science Robotics》封面刊登了北卡羅來納大學教堂山分校和西湖大學團隊的突破性成果：一種基于液態金屬的仿生自適應瞳孔反射視覺系統。

它不僅能模擬貓、羊、烏賊等多種動物的瞳孔形狀，還能在強光下自主收縮，把過曝的圖像識別精度從68.38%直接拉到83.56%。

換句話說，機器人終于學會了“瞳孔調節”，而且調得比人還講究。

01.

瞳孔的秘密，遠比你想象的復雜

你有沒有想過一個問題：為什么貓是豎瞳，羊是橫瞳，烏賊是W形，人類是圓的？

不是設計師偷懶，是生存剛需。

貓科動物是伏擊型獵手，豎瞳能精準判斷獵物距離，同時把前景之外的區域虛化，專注暗殺。

羊是草食動物，橫瞳賦予它們幾乎360度的地平線視野，一邊低頭吃草一邊盯著獅子什么時候來。

至于烏賊那種W形瞳孔，在水下折射環境中能精準捕捉運動的蝦蟹。

瞳孔的形狀，本質上是一套極端優化的光學硬件。而現有的機器視覺系統，瞳孔是死的。固定光圈，固定進光量，遇上正午太陽直射，要么過曝，要么靠算法硬修。

算法硬修不是不行，但代價是算力、延遲、功耗三連跳。人類眼睛0.2秒完成的瞳孔反射，商用視覺系統得算好幾幀。

這項研究的核心思路很直接：與其讓機器事后算，不如讓它硬件層面自己調。

02.

液態金屬：既是人工瞳孔，又能模擬神經信號

這項工作的最大亮點，是讓液態金屬同時干了兩份活：它既是可編程變形的仿生瞳孔，又是模擬神經脈沖的人工神經元。

怎么做到的？

先說變形邏輯。

液態金屬在堿性溶液里會形成一層極薄的氧化膜。給它加上電壓，就能精準控制它的表面張力。電壓越高，氧化膜越厚，液滴越扁平，在微流道里鋪展得越快。

研究團隊把8個這樣的液態金屬單元圍成一圈，每個獨立控制。想要貓的豎瞳？上下兩個單元收縮。想要羊的橫瞳？左右收縮。想要烏賊的W形？編程調一下，2秒鐘變形完畢。

整套系統沒有機械馬達，沒有齒輪傳動，靠的是電化學驅動的表面張力博弈

再看神經模擬。

液態金屬在電極間反復“接觸-斷開”會產生尖峰電流，頻率隨光照強度線性變化，光照越強，頻率越高。這不就是生物神經元傳遞信息的物理復刻嗎？

仿生自適應視覺系統設計

03.

視覺記憶：照一遍就忘，照十遍就記住了

另一個很有趣的點：這套系統，會記事兒。

它的感光單元用的是氧化銦和Y6有機材料的異質結。氧化銦有個特性：被紫外線照過之后，光電流不會立刻歸零，可以持續光電導。

研究團隊把字母“U、N、C”投影到半球狀的感光陣列上，發現同一個圖案被照10次，光電信號能持續20秒不消失。這像極了人腦的短時記憶向長時記憶轉化的過程，訓練次數越多，忘得越慢。

這樣，視覺輸入-電信號編碼-狀態保持-衰減遺忘，一整套閉環就此形成。

04.

強光下認東西，不用靠算法硬修

講完原理，上硬指標。

研究團隊用MNIST手寫數字集（由7萬張手寫數字圖片組成的經典圖像識別測試庫）做了測試，給每張圖人工加了150%的模擬噪聲，模擬烈日下的過曝場景。未經瞳孔調節的系統，識別率68.38%。

開啟自適應瞳孔反射后，液態金屬自動收縮，遮擋部分進光，有效濾除背景噪聲。同一組圖，識別率83.56%，飆升15個百分點。

這不是算法算力堆出來的15%，是硬件物理干預省下來的算力余量。

更直觀的測試來自模擬自動駕駛場景。研究團隊用YOLOv5跑了一段隧道進出場景：出隧道瞬間強光過曝，原始畫面置信度明顯滑坡；但搭載APR系統的畫面，液態金屬瞳孔迅速縮到0.6cm孔徑，進光量壓回安全閾值，車標輪廓清晰鎖定。

進入隧道后，光照驟降，系統反向往回擴，整個過程0.5秒內完成閉環。人類瞳孔反射約0.2-1.5秒，這套人造系統已經摸到了生物響應的下限邊緣。

實驗裝置

05.

這對機器人意味著什么？

把這套系統裝到機器人上，能干啥？

• 自動駕駛：進出隧道不再過曝，逆光也能看清行人。
• 安防機器人：白天強光下巡邏，瞳孔自動收縮，畫面清晰；夜晚暗光下，瞳孔放大，保留更多細節。
• 搜救機器人：在廢墟、煙霧等復雜光線環境中，自適應調節進光量，不用反復調整攝像頭參數。
• 仿生機器人：一套硬件，就能模擬貓的專注瞳孔、羊的全景瞳孔，根據任務切換視覺模式。

這不是算法升級，是硬件層面的代際跨越。

06.

結語：從“看得見”到“看得懂”，

機器視覺這些年進步飛快，高分辨率、低功耗、邊緣計算，把圖像的清晰度推到極致。但一個常被忽略的事實是：再強的算法也補不了硬件層面的物理過曝。

這項研究的價值，不是又做了一個仿生眼，而是找到了一個極其聰明的切入點:

用液態金屬的電化學變形，同時解決光學調節和神經編碼兩個問題，讓機器人擁有了生物級的自適應能力——光線強了知道收，光線弱了知道放，遇到不同任務還能切換瞳孔形狀。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adx0715