基于折纸机构的高密度功能集成仿生眼球系统：突破人形机器人视觉瓶颈的微型化创新

《Advanced Science》：Micro Biomimetic Eyeball for Humanoid Robots: A Visual System with High-Density Functional Integration Based on an Origami Mechanism

本文报道了一种基于微型折纸机构（MOM）的仿生眼球系统（BES），成功解决了传统仿生视觉系统（BVS）在微型化与功能完整性之间的权衡难题。该系统重量仅1.8克，尺寸为Φ23毫米×15毫米，实现了单眼超过151.6°×151.6°的视场角（FOV）调节范围，并具备高速运动（扫视达4382°/s）和动态成像（平滑追踪达532°/s）能力。通过压电驱动与折纸制造技术的创新融合，BES在人机协作交互控制、主动变焦及基于视觉注意机制的目标锁定跟踪等方面展现出卓越性能，为人形机器人提供了集空间适应性、运动兼容性和认知决策能力于一体的新型视觉解决方案。

　　

引言：机器视觉系统在人形机器人、虚拟现实和智能辅助驾驶等新兴领域展现出显著优势。仿生视觉系统（BVS）模仿生物眼的宽视场（FOV）调节和快速运动跟踪特性，已成为人形和仿生机器人极具前景的核心视觉解决方案。然而，传统仿生眼球系统（BES）受限于制造精度和驱动范式，存在体积大、重量重的问题，严重制约了其在尺寸/重量敏感平台上的应用。

设计原理与系统架构：受人类视觉系统精密结构和调节机制的启发，本研究基于生物力学逆向设计原理，开发了一种具有解剖等效特征的3D BES。该系统包含四个核心模块：模拟晶状体瞳孔-透镜成像功能的微型相机；采用压电驱动的微型折纸机构（MOM），通过刚性-柔性耦合拓扑设计，以三个运动链实现精确的三自由度（DOF）调节能力；巩膜启发的保护结构；以及眼外肌模拟支撑结构。MOM的核心创新在于主动旋转级（ARS）和被动旋转级（PRS）的协同设计，ARS通过压电驱动四连杆系统提供基本位移，而具有三个运动链的PRS实现末端位移输出。

机械性能表征：通过模块化多性能测试平台，对BES的机械性能进行了系统表征。在最大驱动电压（300 V）下，系统在俯仰（θ_x）和偏航（θ_y）方向上的角位移均超过±31.8°，滚动轴（θ_z）稳定性保持在0.5°以内。结合微型相机固有的88° FOV，系统实现了151.6°×151.6°的有效视觉范围。步进位移重复性误差在所有三个自由度上均低于0.61%。系统的峰值角速度在35 Hz/300 V条件下达到4382°/s，是人体眼扫视峰值速度（900°/s）的4.8倍。轴向位移响应时间（±3%误差带）为240 ± 7.2 ms，旋转位移响应时间为190 ± 5.7 ms，超越了人眼扫视运动的典型响应范围（200–250 ms）。通过准静态加载测试量化了轴向压缩刚度（2.3 ± 0.19 mN/mm）和转向扭转刚度（1.4 ± 0.03 mN·mm/deg）。针对PRS运动链的拓扑结构，提出了基于参数化设计的角位移优化策略，通过系统调节运动链空间折叠区域（L_d × L_d）内的镂空尺寸比γ（γ = δ/L_d），显著提升了系统的角位移性能。

智能控制与多维功能验证：通过分层实验框架验证了BES作为新型机器人视觉方案的可行性。开环控制性能评估揭示了其在宽视场动态扫描成像、高速运动目标成像（532°/s）、人机协作实时交互控制和主动变焦（±5.3 mm行程）方面的独特优势。基于多摄像头运动捕捉系统（OptiTrack-PrimeX 41）建立了BES的闭环控制验证框架，实现了轴向（±2.5 mm）和俯仰（±20°）自由度的精确位移调节，振幅误差分别低于4.3%和1.2%，相位延迟小于90 ms。在集成仿生面部平台上，基于视觉注意机制的目标识别算法，系统实现了多目标快速识别、主动锁定和轨迹跟踪，复现了人眼的平滑追踪运动功能。

讨论与展望：BES长期运行中，柔性铰链的大角度循环折叠变形可能导致刚柔材料界面粘附失效，是影响系统使用寿命的关键因素。未来工作通过集成视觉数据、惯性测量单元（IMU）数据和关节角度反馈等多源传感信息，有望显著提升BES的环境适应性和控制精度，为下一代人形机器人的场景理解和自主导航等高级任务提供可行的技术路径。

制造工艺：BES的制造工艺包括复合基板材料的精密制备、功能结构形成以及系统集成与组装三个核心阶段。采用高温高压协同成型策略，在120–160 °C热场和0.1 Pa高真空环境下实现异质材料的致密层间结合。利用波长为347 nm的超快飞秒激光加工技术制造二维预组装结构。通过预应力和3D打印角度定位块辅助，完成微相机、保护结构、ARS、PRS和支撑结构的亚毫米空间匹配与功能集成。

结论：本研究通过仿生拓扑驱动协同设计策略，开发了一种解剖结构等效于人眼的新型眼球架构。BES在整体尺寸、重量和功耗方面相比现有研究具有显著优势，同时实现了超过±31.8°的复合俯仰-偏航运动。该系统在宽视场高质量扫视成像、高速动态目标成像、人机协作交互和主动变焦等方面展现出卓越的应用潜力，其高速动态成像能力超越人眼生理极限17.7倍。基于视觉注意的目标识别、锁定与跟踪能力，为未来在面部表情识别、视觉导航等复杂场景中的部署奠定了基础，将人工视觉系统提升至接近生物感官复杂度的功能集成新高度。