奇妙眼睛及其仿生应用

如果您觉得本文有料、有趣，请分享并关注本公众号，下期有您更精彩

作者：杜迎春

早在眼睛出现以前，一些原始生物就对光线刺激有了反应，从而可以根据外界光线变化来运动、觅食。眼睛是生物在亿万年的演变历程中，由简单到复杂、从单调到多元逐渐进化而来的，是很多动物包括人类在内，最复杂、最精密的器官之一。今天让我们来了解一下两栖动物——青蛙的眼睛有何奇妙之处及其仿生应用。

夏日的池塘边，一只蝇子在草丛里飞来飞去，它还不知道自己将要成为狩猎者的美食，只见一道“闪电”晃过，蝇子已经被青蛙卷入舌中。旁边草叶上趴着的蛾子被眼前的一幕吓呆了，缓过神儿的蛾子刚想振翅逃跑，就在起飞的一瞬间也被青蛙捕食了。青蛙是如何迅速敏捷地捕捉到飞来飞去的昆虫呢？其中的奥秘全在青蛙的眼睛里。青蛙的眼睛很奇特，他们看活动的东西极其敏锐，但对静止的东西却可以做到“视而不见”。青蛙的眼睛（见图1和图2）究竟藏着什么样的奥秘呢？

图1：蛙眼的外部结构|文献[1]

图2：蛙眼的生理结构|文献[2]

青蛙眼睛的视觉通路主要有两条信号传递途径（图3）：一条途径是视神经，它从视网膜发出，经由视交叉神经传递到视顶盖，继而投射到视中枢，刺激青蛙对水平运动目标产生捕食反应；另一条途径是经由视交叉神经传至背侧后丘脑，投射到丘脑前顶盖，激发青蛙对垂直运动目标的判断，即逃避反应[3]。

图3：蛙眼视觉系统的神经通路|文献[3]

蛙眼的整个信息加工处理系统由视网膜和视顶盖组成（图4）。视网膜上有3层神经细胞，分别是感受细胞、双极细胞和神经节细胞[1]。神经节细胞又可分为四种：第一种细胞可以被称为“边缘侦察器”，只能感受运动目标的边缘，像树干、天空、湖岸的轮廓；第二种细胞我们可以叫它“昆虫侦察器”，它负责感受移动的昆虫；第三种细胞作用相当于“事件侦察器”，它承担感受亮度的变化；第四种细胞可以叫做“光强减弱感受器”，它用来感受目标光线减弱时阴影的暗色部分[1]。

这“四种检测器”同时工作，每种机器负责记录目标物体的一部分光波信息，再将这些信息叠加在一起传递给蛙脑，形成完整的动态影像，这与全息投影的虚拟成像技术有些相似。因此，青蛙对活动的目标非常敏锐，但对静止的东西却“视而不见”。

图4：蛙眼视觉信息处理示意图 |文献[1]

仿生学家从青蛙的眼睛中受到了启发，他们根据蛙眼的原理和结构发明了电子蛙眼。电子蛙眼可以像真的蛙眼一样，精准地识别活动的目标物体。电子蛙眼目前已经广泛地应用在军事、交通、民航等各个领域。

现代化的生活中，在交通要道的十字路口，随处可见的摄像头其实都是电子蛙眼的一种。电子蛙眼可以抓拍车辆或行人违规行为，防止碰撞事故的发生。在机场，电子蛙眼可以监控飞机的起飞与降落；若发现飞机出现异常状况，可以及时捕捉相关细节。例如：机场塔台的雷达里面装入电子蛙眼，就可以实时监控机场上方的飞机，并且可以把每架飞机的高度、速度、方位精确地传输到指挥塔台的电脑主机里面，指挥人员据此可以准确地遥控指挥飞机的起飞和降落（图5）。

图5：蛙眼在交通中的应用|文献[4]

在现代化的军事战争中，把电子蛙眼装入雷达系统后，可以极高地提升雷达的抗干扰作战能力。携带蛙眼的雷达系统能快速精准地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。电子蛙眼就像孙悟空的“火眼金睛”，可以区别真假，防止以假乱真。例如：敌我双方交战，敌方导弹攻击我方目标；我方发射反导弹拦截对方的导弹。但敌方为了迷惑我方，有可能发射信号来扰乱我方的视线。战场上，敌人的飞机、坦克、舰艇、真假导弹都处于快速运动之中，要想克敌制胜，必须及时区分真假导弹。将电子蛙眼和雷达相结合，就可以像蛙眼一样，迅速敏锐地辨别真假击中目标（图6）。

图6：蛙眼在军事中的应用|文献[5]

了解更多水生生物知识，敬请关注公众号：京水野，微信号bawrcc，有您下期更精彩。

参考文献：

[1]姜真，基于蛙眼视觉特性的运动密保检测与跟踪方法研究（硕士论文），湖南大学，2013,05，08,P21/64

[2]Grusser. O.J, Grusser Cornehls, U.Neurophysiology of the Anuran Visual System. In Frog Neurobiology, A Handbook, edited by R Llinas and W.Precht. Springer Verlag:New York.1976:297-385.

[3]刘俊敏，基于蛙眼视觉特性的运动目标分析研究(硕士论文)，湖南大学，2013,05，08， P26/65.

[4]南木，形形色色的仿生眼。科学24小时[J],2014,(Z1).7-8:79

[5]高育红，青蛙与电子眼.农村青少年科学探究[J]，2013,(Z1).12.

到科普中国APP获取更多资讯