仿生眼：让视觉障碍者重见光明
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（图源：OFANTASTICCOLORANIMATIONTECHNOLOGYCO.,LTD.）
彭涛编译
在科幻电影中 ， 拥有仿生眼的机器人可以精准地识别、分析、追踪目标 ， 完成人类无法完成的任务 。 其实 ， 这种画面不仅出现于科幻电影中 ， 在现实生活中 ， 许多科学家都致力于研发仿生眼 ， 帮助视觉障碍者重见光明 。 然而 ， 生物眼睛的球形特性 ， 尤其是半球形视网膜 ， 对仿生眼的研发提出了巨大的挑战 。 5月20日 ， 《自然》杂志发表了香港科技大学范智勇教授团队的论文 ， 该团队成功研发了一种可以媲美人类视网膜的人工视网膜 ， 由该视网膜组成的仿生眼 ， 在某些情况下甚至比人眼看得更清楚 。
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仿生眼的结构、形状和大小都与人眼高度相似 ， 对单个纳米线进行电寻址时 ， 具有实现高成像分辨率的潜力 。 相比相机中的平面图像传感器 ， 人眼具有天然的巧妙光学成像优势：半球形的视网膜减少了从晶状体通过的光线 ， 突出了焦点；具有特殊的图像感知特性 ， 例如视野宽广、高分辨率和低像差 。 理论上 ， 仿生眼的结构要和人眼相似 ， 尤其是半球形视网膜 。 因此 ， 想要研发出可以媲美人眼的仿生眼 ， 就必须研发优越的人工视网膜 。 而人眼视网膜的形状和结构 ， 使人工视网膜的研发颇具挑战性 。
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人类视觉系统与仿生眼成像系统的总体比较
为了研发高分辨率人工视网膜 ， 范智勇团队设计了一种新方案 。 仿生眼后部的人工视网膜与前部的半球形外壳结合 ， 形成一个球形腔体（眼球） ， 前部的半球形外壳由铝内衬钨膜制成 。 一种类似于玻璃状的离子液体填充在仿生眼的晶状体和视网膜之间 ， 仿生眼的晶状体固定在眼球的小孔中 。 这项技术的关键突破点是半球形视网膜：密集排列的钙钛矿光敏纳米线（作为光感受器 ， 以模拟人眼视网膜中的感光细胞）被固定在氧化铝膜的孔中 。 硅树脂制成的插座用于固定视网膜 ， 以确保纳米线和背面的液态金属线之间的电接触 。 而液态金属线通过将信号从纳米线传输到用于信号处理的外部电路 ， 来模拟神经纤维 。
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高密度仿生眼有哪些优势仿生眼与人眼在构造方面具有高度相似性 ， 但真正使其脱颖而出的是它的感官能力优于其他同类产品 。 早前的人工视网膜是在平坦坚硬的基底上制作光感受器 ， 要么被转移到弯曲的支撑表面上 ， 要么被折叠成弯曲的基底 。 这种制作方案需要预留足够空间以便传输或折叠 ， 限制了光感受器成像单元的密度 。 相比之下 ， 范智勇教授团队研发的仿生眼 ， 纳米线直接放置于曲面上 ， 可以更紧密地排列在一起 。 纳米线的节距为500纳米 ， 密度高达4.6×108/平方厘米 ， 远高于人类视网膜上感光细胞的密度（约107/平方厘米） 。 如果能实现适当的电接触 ， 就有可能实现高成像分辨率 。
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范智勇教授团队研发的高密度仿生眼具有以下几方面的优势：对角线视场大约是100°（一般相机中平面图像传感器的对角线视场角度仅为69.8°）；可以通过优化人工视网膜上的像素分布进一步改善对角线视场 ， 以接近人类的静态单眼垂直视场（约为130°） 。 可检测的光线强度区间为0.3微瓦/平方厘米-50微瓦/平方厘米 ， 跨度较大 。 在最低光强下 ， 人工视网膜中的每条纳米线平均每秒可检测到86个光子 ， 与人眼视网膜上感光细胞的灵敏度相当 。 纳米线的响应率对于所有可见光谱的频率几乎是相同的 。 当纳米线阵列受有规则的快速光脉冲刺激时 ， 可在19.2毫秒内快速对光脉冲进行响应 ， 从而产生电流 ， 并可在脉冲结束时用23.9毫秒的时间来恢复（即回到其非活动状态） 。 要知道 ， 响应和恢复时间是重要的参数 ， 它们最终决定了仿生眼对光信号的反应速度 ， 人类视网膜上感光细胞的响应和恢复时间在40-150毫秒之间 。 【仿生眼：让视觉障碍者重见光明】
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仿生眼领域的挑战与展望范智勇教授课题组研发的半球形视网膜仿生眼 ， 是过去几十年来仿生眼领域的重大突破 ， 其突破不仅在于仿生眼模仿了人眼 ， 也是通过模仿昆虫的复眼等结构来实现的 。 这项突破振奋人心 ， 但仍有大量的后续工作：制造过程涉及一些昂贵和低效率的步骤 。 一个昂贵的步骤是用聚焦离子束蚀刻来生产纳米线 ， 必须研发出低成本的制造方法 ， 以便大幅降低成本生产更大的光敏元件阵列 。 为了提高人工视网膜的分辨率和尺寸 ， 需要减小液态金属线的尺寸 。 现在所用的液态金属线外径是大约700微米 ， 未来的挑战是将其外径减少至纳米级（大约为几微米） 。需要更多的测试来确定人工视网膜的使用寿命 。 据报道 ， 在运行9小时后 ， 人工视网膜的性能并没有明显下降 ， 但其他电化学器件的性能会随着时间的推移而恶化 。
研究发现 ， 在离子液体浓度较高的情况下 ， 仿生眼的响应和恢复时间会降低 。 为解决这个问题 ， 需要进一步优化离子液体的组成 。 范志勇教授说：“我们希望在生物相容性、稳定性等方面进一步改善 。 如果一切都按计划进行的话 ， 这项技术很有可能在5年内实现落地应用 。 ”
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据估计 ， 全球超22亿人患有眼疾 ， 这意味着仿生眼将拥有巨大市场 ， 甚至改变大量病人的生活状态 。 相信在未来10年内 ， 我们能看到仿生眼广泛应用于消费类电子产品、机器人等场景 。参考文献：
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