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人造眼不再科幻:港科大革命性研究登上Nature,部分能力比人眼更强大

木马童年 2020-6-9 15:39 94 0

「人造眼」把大量纳米级光传感器整合到半球形视网膜状组件中,这套设备的一些能力已经与生物眼相当了。科学家们还表示,理论上这种设计可实现比人眼更高的分辨率。很多科幻小说中经常会出现使用仿生眼球的机器人,或 ...

「人造眼」把大量纳米级光传感器整合到半球形视网膜状组件中,这套设备的一些能力已经与生物眼相当了。科学家们还表示,理论上这种设计可实现比人眼更高的分辨率。


人造眼不再科幻:港科大革命性研究登上Nature,部分能力比人眼更强大

很多科幻小说中经常会出现使用仿生眼球的机器人,或者直连大脑、让盲人重获视力的人造眼。为了开发这样的设备,科学家多年来做出了很多努力,但是制造球形的人类眼球——特别是半球形视网膜,一直是技术上难以实现的挑战,严重阻碍了人造眼实现的进程。

在今天刚刚出版的《自然》杂志上,香港科技大学顾磊磊(Leilei Gu)、范智勇等人在论文《A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina》中提出了一种创新的凹半球「视网膜」,迅速引来了多家媒体的报道。


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论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2285-x

这种视网膜由模仿人类视网膜中感光细胞的纳米级光电传感器阵列组成。研究者使用基于这套设备的电化学人造眼,在多项测试中与人眼进行对比,发现「人造眼」已具有获取图像图案的基本能力。

人眼带有半球形视网膜,与普通摄像头的平面感光元件相比显然更加精巧:视网膜的圆顶天然趋向于光线集中,让穿过人眼晶体的光线焦点清晰。这种自然演化出来的结构具有视场宽、分辨率高、对光高度敏感的特点,而在半球形视网膜上还分布着大量视细胞——每平方厘米约有 1000 万个。

顾磊磊等人的仿生电化学眼的核心组件是用作视网膜的高密度光电传感器阵列。光电传感器直接部署在由氧化铝(Al2O3)制成的半球形膜上。


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图 1:仿生人造眼。

用液态金属(共晶镓-铟合金)做成的纤细灵活的线被封进软橡胶管里,这些线将信号从纳米线光传感器传输到外部电路,以进行信号处理。这些线模拟连接人眼和大脑的神经纤维。液态金属线和纳米线之间的铟层可以改善两者之间的电接触。将人造视网膜放进由硅聚合物做成的眼窝中,确保金属线和纳米线之间完美对齐。

结合了人工虹膜的晶状体被放置在该设备的前端,就像人眼一样。背侧的视网膜和前端的半球形壳体结合起来,形成球形电离室(即「眼球」),前侧的半球形壳体由铝和钨膜制成。电离室内充满离子液,用以模仿玻璃体,即填充人眼中晶状体和视网膜之间空间的胶状物质。

这种布局对于纳米线的电化学操作而言是必要的。人造眼和人眼的整体结构相似性使得顾磊磊等人的设备具备 100° 的宽视场,静态人眼的垂直视场大约为 130°。

第一版「人造眼」又被称为 EC-EYE,它的结构细节是这样的:


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看起来已经很符合人类眼球的画风了。

顾磊磊及其同事制作的人造眼在结构拟态方面令人惊艳,但真正令其与众不同的是,它的很多感官能力能与人眼媲美。例如,人造视网膜可以检测较大范围的光强度,从每平方厘米 0.3 微瓦特到 50 毫瓦特不等。在较低光强度下,人造视网膜中的每条纳米线平均每秒检测到 86 光子,这与人眼视网膜中感光细胞的敏感度持平。这种敏感度来自用于制造纳米线的钙钛矿材料。钙钛矿化合物材料有潜力用于多种光电子和光子应用。顾磊磊等人使用的钙钛矿材料是甲脒铅碘化物,具备出色的光电属性和稳定性。


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在人造眼中,一个像素是如何生成的。

纳米线对于可见光谱的所有频率具备几乎一致的灵敏度(灵敏度用于度量每瓦特入射光生成的电流)。此外,纳米线阵列受到常规快速光脉冲的刺激后,会在 19.2 毫秒内做出响应生成电流——是人眼反应时间的一半,然后在脉冲结束后仅需要 23.9 毫秒即可恢复(至未激活状态)。响应和恢复时间是重要的参数,因为这两者最终决定了人造眼对光信号的响应速度。相比而言,人眼视网膜中感光细胞的响应和恢复时间在 40 至 150 毫秒。

从某些角度来看,人造眼可以改善人类的视觉:它可以接收更大范围波长的光,而且因为不是自然进化出来的,自然也不存在所有脊椎动物都有的 bug,视觉盲点。


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人类视觉系统和EC-EYE图像视觉系统的比较。

顾磊磊等人制造的人造视网膜最令人惊艳之处或许是成像的高分辨率,这受益于纳米线阵列的高密度。在之前的人造视网膜中,光感受器最初安装在平面的刚性基底上,然后把它们迁移到曲面支撑面,或者把基底转换为曲面。由于必须留足空间方便迁移或基底转换,因此成像装置的密度受到了限制。

而顾磊磊等人的设备使用的纳米线是在曲面上直接形成的,这使得它们可以更紧密地封装在一起。的确,纳米线的密度高达 4.6×108cm–2,这要比人类视网膜中感光细胞的密度大得多(约为 107 cm–2)。每根纳米线的信号也可以单独地获取,但目前设备中的像素是基于 3 到 4 根纳米线形成的。

「当你试图对画面成像时,实际上在透镜之后形成的图像是弯曲的,一个平面传感器显然无法让图像清晰地聚焦——但目前大多数人造传感器都是刚性且平坦的,」这篇论文的评审,威斯康星大学电气工程教授 Hongrui Jiang 表示。「同时,新研究部署在人造视网膜上的纳米线非常密集,它与人类眼球中的感光组件密度相当,甚至更高。」


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EC-EYE 的图像感应过程。

顾磊磊及其同事发明的人造眼所具备的整体性能代表了此类设备的一次飞跃,但仍需要做出很多改进。

首先,光电传感器阵列的像素目前仅为 10×10,像素之间存在着大约 200-μm 的差距,这意味着光检测区域的宽度仅为 2mm。此外,制作过程中还涉及一些花费高昂且通量较低的步骤,比如使用聚焦离子束刻蚀这种造价较高的工艺为纳米线准备每一个孔隙。所以未来必须开发高通量的制作方法,从而以更低的成本生产更大的光电传感器阵列。

其次,为了提高视网膜的分辨率和尺度,液态金属线的尺寸需要减小。这些线的外直径约为 700 μm,但理想情况下应达到纳米线直径的水平,即几微米。目前来看,将液态金属线直径减小至几微米依然是很大的挑战。

目前,「人造眼」的分辨率还不高,因为纳米线阵列仅有 100 个像素(1 个像素有 3 条纳米线)。但作者认为他们的设计最终有望实现比人眼更高的分辨率,因为将纳米线密度提高到人眼光感受器的十倍以上是有可能实现的。

寿命也是一个问题,我们还需要进行更多测试来确定人造视网膜的使用寿命。根据顾磊磊等人的说法,在使用 9 小时后,人造眼的性能并没有出现明显的下降,但其他电化学装置的性能却随时间推移而逐渐下降。最后,研究者指出,在离子液浓度较高的情况下,设备的响应和恢复时间会缩短,但液体中光透射的性能会下降。所以需要对离子液成分进一步优化以解决这一问题。

尽管顾磊磊等人的仿生人造眼存在着这样那样的问题,但依然为该领域添上了浓墨重彩的一笔。

「模仿自然界生物的眼睛,一直是很多工程师们的梦想。一些科学家试图模仿哺乳动物的眼睛,也有人试图制造出类似于昆虫的复眼,」Hongrui Jiang 说道。「这一领域目前终于有了真正的突破。我认为在大约十年后,我们将看到一些人造眼的,非常实际的应用。」

人造眼究竟何时可以替代人眼?已有医疗从业者将这一登上 Nature 的研究视为「了不起的工作」。据论文作者之一的范智勇介绍,研究团队正希望与医学研究人员合作,根据这种设计来制造可替代人眼的设备。不过让计算机可以识别电信号只是第一步,我们未来还面临着更大的挑战:如何安全地让感光设备与大脑交互产生图像。

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