「人造眼」把大量納米級(jí)光傳感器整合到半球形視網(wǎng)膜狀組件中，這套設(shè)備的一些能力已經(jīng)與生物眼相當(dāng)了?？茖W(xué)家們還表示，理論上這種設(shè)計(jì)可實(shí)
「人造眼」把大量納米級(jí)光傳感器整合到半球形視網(wǎng)膜狀組件中，這套設(shè)備的一些能力已經(jīng)與生物眼相當(dāng)了?？茖W(xué)家們還表示，理論上這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)比人眼更高的分辨率。 很多科幻小說(shuō)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)使用仿生眼球的機(jī)器人，或者直連大腦、讓盲人重獲視力的人造眼。為了開(kāi)發(fā)這樣的設(shè)備，科學(xué)家多年來(lái)做出了很多努力，但是制造球形的人類眼球——特別是半球形視網(wǎng)膜，一直是技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重阻礙了人造眼實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程。
在今天剛剛出版的《自然》雜志上，香港科技大學(xué)顧磊磊(Leilei Gu)、范智勇等人在論文《A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina》中提出了一種創(chuàng)新的凹半球「視網(wǎng)膜」，迅速引來(lái)了多家媒體的報(bào)道。
這種視網(wǎng)膜由模仿人類視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞的納米級(jí)光電傳感器陣列組成。研究者使用基于這套設(shè)備的電化學(xué)人造眼，在多項(xiàng)測(cè)試中與人眼進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)「人造眼」已具有獲取圖像圖案的基本能力。
人眼帶有半球形視網(wǎng)膜，與普通攝像頭的平面感光元件相比顯然更加精巧：視網(wǎng)膜的圓頂天然趨向于光線集中，讓穿過(guò)人眼晶體的光線焦點(diǎn)清晰。這種自然演化出來(lái)的結(jié)構(gòu)具有視場(chǎng)寬、分辨率高、對(duì)光高度敏感的特點(diǎn)，而在半球形視網(wǎng)膜上還分布著大量視細(xì)胞——每平方厘米約有 1000 萬(wàn)個(gè)。
顧磊磊等人的仿生電化學(xué)眼的核心組件是用作視網(wǎng)膜的高密度光電傳感器陣列。光電傳感器直接部署在由氧化鋁(Al2O3)制成的半球形膜上。
用液態(tài)金屬(共晶鎵-銦合金)做成的纖細(xì)靈活的線被封進(jìn)軟橡膠管里，這些線將信號(hào)從納米線光傳感器傳輸?shù)酵獠侩娐?，以進(jìn)行信號(hào)處理。這些線模擬連接人眼和大腦的神經(jīng)纖維。液態(tài)金屬線和納米線之間的銦層可以改善兩者之間的電接觸。將人造視網(wǎng)膜放進(jìn)由硅聚合物做成的眼窩中，確保金屬線和納米線之間完美對(duì)齊。
結(jié)合了人工虹膜的晶狀體被放置在該設(shè)備的前端，就像人眼一樣。背側(cè)的視網(wǎng)膜和前端的半球形殼體結(jié)合起來(lái)，形成球形電離室(即「眼球」)，前側(cè)的半球形殼體由鋁和鎢膜制成。電離室內(nèi)充滿離子液，用以模仿玻璃體，即填充人眼中晶狀體和視網(wǎng)膜之間空間的膠狀物質(zhì)。
這種布局對(duì)于納米線的電化學(xué)操作而言是必要的。人造眼和人眼的整體結(jié)構(gòu)相似性使得顧磊磊等人的設(shè)備具備 100° 的寬視場(chǎng)，靜態(tài)人眼的垂直視場(chǎng)大約為 130°。
第一版「人造眼」又被稱為 EC-EYE，它的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)是這樣的：
看起來(lái)已經(jīng)很符合人類眼球的畫(huà)風(fēng)了。
顧磊磊及其同事制作的人造眼在結(jié)構(gòu)擬態(tài)方面令人驚艷，但真正令其與眾不同的是，它的很多感官能力能與人眼媲美。例如，人造視網(wǎng)膜可以檢測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度，從每平方厘米 0.3 微瓦特到 50 毫瓦特不等。在最低光強(qiáng)度下，人造視網(wǎng)膜中的每條納米線平均每秒檢測(cè)到 86 光子，這與人眼視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞的敏感度持平。這種敏感度來(lái)自用于制造納米線的鈣鈦礦材料。鈣鈦礦化合物材料有潛力用于多種光電子和光子應(yīng)用。顧磊磊等人使用的鈣鈦礦材料是甲脒鉛碘化物，具備出色的光電屬性和穩(wěn)定性。
在人造眼中，一個(gè)像素是如何生成的。
納米線對(duì)于可見(jiàn)光譜的所有頻率具備幾乎一致的靈敏度(靈敏度用于度量每瓦特入射光生成的電流)。此外，納米線陣列受到常規(guī)快速光脈沖的刺激后，會(huì)在 19.2 毫秒內(nèi)做出響應(yīng)生成電流——是人眼反應(yīng)時(shí)間的一半，然后在脈沖結(jié)束后僅需要 23.9 毫秒即可恢復(fù)(至未激活狀態(tài))。響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間是重要的參數(shù)，因?yàn)檫@兩者最終決定了人造眼對(duì)光信號(hào)的響應(yīng)速度。相比而言，人眼視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間在 40 至 150 毫秒。
從某些角度來(lái)看，人造眼可以改善人類的視覺(jué)：它可以接收更大范圍波長(zhǎng)的光，而且因?yàn)椴皇亲匀贿M(jìn)化出來(lái)的，自然也不存在所有脊椎動(dòng)物都有的 bug，視覺(jué)盲點(diǎn)。
人類視覺(jué)系統(tǒng)和EC-EYE圖像視覺(jué)系統(tǒng)的比較。
顧磊磊等人制造的人造視網(wǎng)膜最令人驚艷之處或許是成像的高分辨率，這受益于納米線陣列的高密度。在之前的人造視網(wǎng)膜中，光感受器最初安裝在平面的剛性基底上，然后把它們遷移到曲面支撐面，或者把基底轉(zhuǎn)換為曲面。由于必須留足空間方便遷移或基底轉(zhuǎn)換，因此成像裝置的密度受到了限制。
而顧磊磊等人的設(shè)備使用的納米線是在曲面上直接形成的，這使得它們可以更緊密地封裝在一起。的確，納米線的密度高達(dá) 4.6×108cm–2，這要比人類視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞的密度大得多(約為 107 cm–2)。每根納米線的信號(hào)也可以單獨(dú)地獲取，但目前設(shè)備中的像素是基于 3 到 4 根納米線形成的。
「當(dāng)你試圖對(duì)畫(huà)面成像時(shí)，實(shí)際上在透鏡之后形成的圖像是彎曲的，一個(gè)平面?zhèn)鞲衅黠@然無(wú)法讓圖像清晰地聚焦——但目前大多數(shù)人造傳感器都是剛性且平坦的，」這篇論文的評(píng)審，威斯康星大學(xué)電氣工程教授 Hongrui Jiang 表示?！竿瑫r(shí)，新研究部署在人造視網(wǎng)膜上的納米線非常密集，它與人類眼球中的感光組件密度相當(dāng)，甚至更高。」
EC-EYE 的圖像感應(yīng)過(guò)程。
顧磊磊及其同事發(fā)明的人造眼所具備的整體性能代表了此類設(shè)備的一次飛躍，但仍需要做出很多改進(jìn)。
首先，光電傳感器陣列的像素目前僅為 10×10，像素之間存在著大約 200-µm 的差距，這意味著光檢測(cè)區(qū)域的寬度僅為 2mm。此外，制作過(guò)程中還涉及一些花費(fèi)高昂且通量較低的步驟，比如使用聚焦離子束刻蝕這種造價(jià)較高的工藝為納米線準(zhǔn)備每一個(gè)孔隙。所以未來(lái)必須開(kāi)發(fā)高通量的制作方法，從而以更低的成本生產(chǎn)更大的光電傳感器陣列。
其次，為了提高視網(wǎng)膜的分辨率和尺度，液態(tài)金屬線的尺寸需要減小。這些線的外直徑約為 700 µm，但理想情況下應(yīng)達(dá)到納米線直徑的水平，即幾微米。目前來(lái)看，將液態(tài)金屬線直徑減小至幾微米依然是很大的挑戰(zhàn)。
目前，「人造眼」的分辨率還不高，因?yàn)榧{米線陣列僅有 100 個(gè)像素(1 個(gè)像素有 3 條納米線)。但作者認(rèn)為他們的設(shè)計(jì)最終有望實(shí)現(xiàn)比人眼更高的分辨率，因?yàn)閷⒓{米線密度提高到人眼光感受器的十倍以上是有可能實(shí)現(xiàn)的。
壽命也是一個(gè)問(wèn)題，我們還需要進(jìn)行更多測(cè)試來(lái)確定人造視網(wǎng)膜的使用壽命。根據(jù)顧磊磊等人的說(shuō)法，在使用 9 小時(shí)后，人造眼的性能并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下降，但其他電化學(xué)裝置的性能卻隨時(shí)間推移而逐漸下降。最后，研究者指出，在離子液濃度較高的情況下，設(shè)備的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間會(huì)縮短，但液體中光透射的性能會(huì)下降。所以需要對(duì)離子液成分進(jìn)一步優(yōu)化以解決這一問(wèn)題。
盡管顧磊磊等人的仿生人造眼存在著這樣那樣的問(wèn)題，但依然為該領(lǐng)域添上了濃墨重彩的一筆。
「模仿自然界生物的眼睛，一直是很多工程師們的夢(mèng)想。一些科學(xué)家試圖模仿哺乳動(dòng)物的眼睛，也有人試圖制造出類似于昆蟲(chóng)的復(fù)眼，」Hongrui Jiang 說(shuō)道?！高@一領(lǐng)域目前終于有了真正的突破。我認(rèn)為在大約十年后，我們將看到一些人造眼的，非常實(shí)際的應(yīng)用?！?/p>
人造眼究竟何時(shí)可以替代人眼?已有醫(yī)療從業(yè)者將這一登上 Nature 的研究視為「了不起的工作」。據(jù)論文作者之一的范智勇介紹，研究團(tuán)隊(duì)正希望與醫(yī)學(xué)研究人員合作，根據(jù)這種設(shè)計(jì)來(lái)制造可替代人眼的設(shè)備。不過(guò)讓計(jì)算機(jī)可以識(shí)別電信號(hào)只是第一步，我們未來(lái)還面臨著更大的挑戰(zhàn)：如何安全地讓感光設(shè)備與大腦交互產(chǎn)生圖像。
關(guān)鍵詞： 香港科技大學(xué)
