Бионический сложный глаз масштаба насекомого с визуально-обонятельной функцией

Глаза и нос робота в одном крошечном корпусе

Представьте робота-насекомое, которое не только видит, куда летит, но и «чувствует запах» опасных газов в воздухе — и всё это с помощью устройства не больше, чем настоящий глаз мухи. В этой статье описано именно такое изобретение: миниатюрный искусственный сложный глаз, совмещающий зрение и обоняние в одном ультралёгком сенсоре. Заимствуя приёмы у дрозофил и других насекомых, авторы показывают, как будущие дроны и маленькие роботы смогут быстро и безопасно ориентироваться в загромождённых, опасных средах, потребляя при этом очень мало энергии.

Чему природа научила инженеров

Насекомые, такие как дрозофилы, полагаются на сложные глаза — купола, заполненные сотнями крошечных линз — чтобы замечать движение в широком поле зрения, что помогает им избегать хищников и препятствий. Одновременно их антенны обеспечивают тонкое обоняние, позволяя находить пищу, партнёров или ощутить угрозы в воздухе. Оба канала информации объединяются в мозге насекомого для принятия быстрых решений. Авторы поставили задачу воссоздать это двойное восприятие в аппаратном виде: единое, насекомомасштабное устройство, имитирующее глаз мухи для широкоугольного обнаружения движения и интегрирующее химический «нос» для анализа окружающего воздуха, после чего обе сигнальные цепи сливаются для более умного поведения.

Создание крошечного изогнутого глаза, который действительно работает

Команда создала цилиндрический искусственный глаз примерно размером с голову небольшого насекомого, разместив 1 027 крошечных линз в квадрате всего 1,5 миллиметра в поперечнике. С помощью ультраточной 3D-печати они напрямую нанесли изогнутый массив микролинз на гибкий слой органических светочувствительных элементов. Каждая линза совмещена с одним детектором, формируя отдельный «пиксель», который смотрит в своём направлении, подобно омматидию насекомого. Линзы спроектированы с узким углом приёма, чтобы свет из одного направления не проникал в соседние пиксели, что близко имитирует оптическую изоляцию в натуральных сложных глазах. Для борьбы с туманом и влажностью исследователи добавили микроскопические волосковые структуры между линзами, которые препятствуют оседанию капель на поверхности, подобно самоочищающимся волоскам вокруг настоящих глаз насекомых.

Одновременное обнаружение движения и анализ воздуха в реальном времени

Под линзами расположен специально разработанный светочувствительный слой из смеси органических полупроводников и квантовых точек сульфида свинца. Такое сочетание позволяет устройству детектировать свет от ультрафиолета через видимый спектр до ближней инфракрасной области и откликаться примерно за одну десятитысячную секунды — достаточно быстро для частоты слияния кадров порядка 1 000 изображений в секунду. Вместо формирования чётких подробных картинок устройство фиксирует меняющиеся яркие пятна по широкому полю зрения, которые простая математическая модель преобразует в сведения о положении объектов, их примерном расстоянии и движении. Параллельно струйная (inkjet) печать цветометрического массива выполняет роль искусственного носа: крошечные пятна с металлокомплексами и чувствительными к pH красителями меняют цвет при воздействии определённых опасных газов. Лёгкий алгоритм хеширования, вдохновлённый устройством нервной системы мух, преобразует эти изменения цвета в идентификацию газа и приближённую концентрацию с точностью около 93% для десяти распространённых токсичных паров.

От лабораторного стола к наземным роботам и дронам

Чтобы доказать практическую ценность этого насекомомасштабного «глаза-и-носа» вне лаборатории, исследователи установили его на двух небольших беспилотных платформах. На омнидирекциональном колесном роботе изогнутый глаз позволил наблюдать 180-градусное горизонтальное поле и обнаруживать движение достаточно быстро, чтобы уклоняться от надвигающихся препятствий, даже в условиях тумана. Простые правила, реализованные аппаратно и снова вдохновлённые поведением насекомых при побеге, позволяли роботу отъезжать от приближающихся объектов или объезжать их во время движения. На небольшом дроне то же устройство отслеживало позицию движущихся источников света в трёх измерениях и, совместно с газовым сенсором, обеспечивало автономное исследование испытательной среды с источниками света и шлейфами опасных химических веществ. Визуальная и обонятельная информация комбинировались так, чтобы дрон мог одновременно следовать за целями и картировать опасные газы в пространстве.

Почему это важно для будущих маленьких машин

Эта работа демонстрирует возможность объединить широкоугольное, высокоскоростное зрение и химическое сенсорное восприятие в сенсоре приблизительно размера настоящего глаза насекомого. Устройство жертвует подробностью изображения в пользу чувствительности к движению, широкого спектрального охвата и энергоэффективности — именно такие компромиссы важны для миниатюрных дронов и роботов с ограниченным питанием и вычислительными ресурсами. Объединяя «глаза» и «нос» в одной компактной системе и заимствуя стратегии слияния сигналов из мозга насекомых, исследование прокладывает путь к будущим роем малых, недорогих автономных машин, которые смогут уклоняться от препятствий, распознавать опасные газы и исследовать сложные среды с проворством летающих насекомых.

Цитирование: Wang, J., Wei, S., Qin, N. et al. An insect-scale artificial visual-olfactory bionic compound eye. Nat Commun 17, 2259 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68940-0

Ключевые слова: бионический сложный глаз, робототехника, вдохновлённая природой, мультимодальное сенсорное восприятие, системы микрозрения, обнаружение опасных газов