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人造眼|人造眼或使人重见光明

人造眼|人造眼或使人重见光明
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人们常说眼睛是“心灵的窗口” ， 但实际上 ， 也许“大脑的窗口”这个描述更为贴切（视觉中国/图）
丽莎·库利克（Lisa Kulik）曾经是一名兽医助理 ， 在21岁时的一次例行体检中 ， 医生发现她患有一种名叫视网膜色素变性的遗传疾病 。 随着时间的推移 ， 她的视觉不断退化 ， 并最终在36岁时彻底失明 。
2013年 ， 美国食品与药品管理局批准了一种名为“ArgusII”的“人工眼”植入手术 。 库利克申请成为第一批接受手术的病人 ， 并在手术后重见光明 。 此后 ， 这种“人工眼”又被用于帮助老年黄斑变性等疾病的患者获得一定的视力 。
【人造眼|人造眼或使人重见光明】然而 ， 在接受ArgusII（或者其他几种在欧美被批准使用的“人工眼”）植入手术后 ， 病人视力的恢复程度仍然十分有限 。 以ArgusII为例 ， 系统只能产生一个60像素的黑白影像 。
近日 ， 中国香港和美国的科学家在国际著名科学期刊《自然》杂志上发表了一项新的研究成果 ， 介绍了他们借鉴人眼的结构和原理 ， 发明的一种新型仿生眼 。 在某些参数和特点上 ， 这种仿生眼甚至超过了人眼 。 尽管这种装置距离实际应用还很遥远 ， 但也许未来有一天 ， 它将帮助众多眼病患者更清晰地看到这个五彩缤纷的世界 。
“大脑的窗口”
我们常说眼睛是“心灵的窗口” ， 但实际上 ， 也许“大脑的窗口”这个描述更为贴切：光线进入眼球 ， 经晶状体聚焦 ， 穿过玻璃体后 ， 投射到视网膜上 。 视网膜由很多层神经元（神经细胞）组成 。 其中最靠后的一层神经元能够感受光（因此也被称为光感受器）并把光信号转化为电信号 ， 以从后向前的方向将电信号传递给下一级神经元 。 这些电信号在逐级传递的过程中还会经过一定的预处理 ， 最终通过视神经传递到大脑 。 传入的视觉信号在大脑中特定的区域进一步被整合处理 ， 最终使我们产生视觉 。
作为视觉系统最重要的组成部分 ， 视网膜如果出现异常 ， 我们的视觉就会出问题：绝大多数色盲都是视网膜上一类感受光的神经元（视锥细胞）异常导致的；丽莎·库利克患的视网膜色素变性 ， 是因为另一类感光神经元（视杆细胞）无法将光信号转换为电信号导致的；而青光眼导致视觉损害的一个重要原因 ， 则是视网膜上一种叫做神经节细胞的神经元的死亡 。
ArgusII系统治疗视网膜色素变性的原理 ， 就是一定程度上用这个系统来顶替受损的神经元：病人接受手术 ， 在视网膜上植入一组电极 。 系统外置的数码摄像机拍摄的影像首先被计算机进行图像处理 ， 然后被传给植入的电极 ， 电极再根据图像信息刺激视网膜上的细胞 ， 这些细胞产生相应的电信号并将其传递到大脑中 ， 重新打开“大脑的窗口” 。 由于系统的分辨率很低 ， 只有60像素 ， 所以与其说植入ArgusII系统的病人恢复了视觉 ， 不如用重见光明来形容或许更合适 。
仿生眼领域的飞跃
由于ArgusII等系统的这些限制 ， 科学家一直以来都在试图研发更体现天然眼特征的仿生眼系统 。 如果能够研发出性能更优异的系统 ， 一方面可以将其应用于非医学领域（更符合天然眼的特征 ， 往往意味着3D视觉成像效果更好） 。 比如 ， 美国的科学家在2013年就曾在《自然》杂志上发表了一篇论文 ， 介绍了他们从昆虫的复眼中寻找灵感 ， 制造出的一款仿生眼系统 。 另一方面 ， 如果能够研发出性能更优异的系统 ， 也可以探索其在医学领域可能的应用 。
《自然》杂志上发表的这项新研究无论是在技术策略上 ， 还是使用的材料上 ， 都颇具创新性 ， 使这个仿生眼系统在很多指标上都远远超过了此前的人工眼系统 ， 有的指标甚至已经超过了人眼 。 同期《自然》杂志上的一篇专家点评称赞其实现了相关领域的一次飞跃 。
眼球上的纳米线
这并不是科学家第一次设计研发出眼球形的人工眼系统 ， 但其制造策略却很新颖 。 正是这种创新性的策略 ， 使这种新系统各方面的表现有了大幅度的提高 。
在制造此前的仿生眼系统时 ， 科学家通常都是先把感光的元件在一个平面上组装配置好 ， 然后再转移到眼球形状的支撑系统上 。 这可以看作是先制备好系统的“视网膜” ， 然后把“视网膜”贴到“眼球”上 。 在转移到球形支撑系统上后 ， 各个感光元件之间的空间关系就立体化了 ， 利用每个感光元件捕获到的光信号 ， 系统就能分析整合出有立体感的影像 。 这种策略最大的问题是系统难以达到较高的分辨率：从平面到球形 ， “视网膜”会发生形变 ， 如果感光元件之间最初的距离太近 ， 彼此就会发生挤压 ， 影响成像 。 因此 ， 在使用这种策略制备仿生眼时 ， 感光元件之间必须留出一些空隙 。 这导致在单位面积的“视网膜”上 ， 感光元件数量有限 ， 从而限制了系统的分辨率 。
在这项新的研究中 ， 研究人员采取了另一种策略：先制造眼球 ， 然后直接在眼球上添加感光元件 。 他们首先制造了一个非常薄的氧化铝半球壳 ， 你可以把这个半球壳想象成是将眼球纵向切开之后的后半部分 。 在制造过程中 ， 科学家还在这个半球壳上留了很多非常细（直径为120纳米 ， 也就是0.00012毫米）的通道 。 接着 ， 他们使用一种被称为沉积法的方法在这些通道里“长”出一根根纳米线 ， 每根纳米线的长度大约为5微米（0.005毫米） 。 组成这些纳米线的是一种叫作钙钛矿的化合物 ， 这类物质由于结构特殊 ， 因此能够将光信号转换为电信号 ， 很多科学家认为钙钛矿很有潜力能在下一代光电器件（比如太阳能电池、LED等）中得到广泛应用 。 正因为这种将光信号转换为电信号的能力 ， 这些纳米线阵列扮演着人工“视网膜”（或者说“视网膜”上的感光细胞）的角色 。
在人眼中 ， 视觉信号通过视神经传入大脑 。 由于视觉信号在视网膜中是从后向前逐级传递到最靠前一层的 ， 因此视神经最终会以从前向后的方向穿过视网膜进入大脑 ， 穿过的地方正是人眼的盲点：由于这里没有负责感光的神经元 ， 因此投射到这里的光我们无法感受到 。 这个仿生眼系统的设计策略则使其避免了盲点的存在 。 由于系统中的钙钛矿纳米线非常细 ， 为了便于操作 ， 研究人员首先给这个人工“视网膜”制作了一个“插座” ， “插座”上有一根根直径约为0.7毫米的通道（仍然很细 ， 但直径已经超过纳米线直径数千倍） 。 接着 ， 他们把人工“视网膜”插到这个“插座”上 。 在“插座”的另一端 ， 每一根通道与一根软管相连 ， 软管中充满了一种液态的金属 ， 软管的另一侧与信号处理系统相连 。 这些软管扮演的正是人的视觉系统中视神经的角色 ， 通过其中的液态金属 ， 把来自纳米线的电信号传递给计算机进行处理 ， 进而产生视觉 。 由于软管通过背后一侧连接纳米线 ， 因此这个系统没有盲点 。
在制作好眼睛的后半部分后 ， 研究人员将仿生眼的前半部分与后半部分黏合了起来 。 与后半部分一样 ， 前半部分也是在模拟人眼的结构 ， 包括扮演瞳孔角色的光圈 ， 扮演晶状体角色的凸透镜等等 。 研究人员还向眼球中注入了能够导电的电解质溶液 ， 除了连通系统的电路外 ， 这些电解质液体还扮演着人眼中玻璃体的角色 ， 对人工“视网膜”起支撑作用 。
在这项概念验证性的实验中 ， 科学家制造了一个只包含100根感光纳米线的仿生眼 ， 但从理论上来说 ， 系统可以添加更多、更密的纳米线 。
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科学家制造了一个只包含100根感光纳米线的仿生眼 ， 但从理论上来说 ， 系统可以添加更多、更密的纳米线 。
赶超人眼
无论是原理还是制造工艺 ， 这个仿生眼都并不算复杂 ， 但其性能却远远超过了此前研发出的仿生眼 ， 有的指标已经接近甚至超过了人眼 。
球形眼的一个重大优势是视野宽广 ， 这可以使动物尽早发现危险（比如捕食者） ， 有利于动物的生存 。 以人为例 ， 我们的视野范围可以达到150-160度 。 由于充分借鉴了生物眼的球形结构特点 ， 与此前研发出的平面仿生眼相比 ， 这个球形仿生眼拥有大得多的视野：此前的平面仿生眼的视野只能达到70度 ， 而这个球形的仿生眼则达到了100度 。 尽管100度和150度比还有不小的差距 ， 但这项研究的科学家称 ， 通过优化人工“视网膜”上感光纳米线的排列方式 ， 这个系统的纵向视野可以达到与人眼相当的水平 。
这个系统在视野上的表现无疑非常优异 ， 但真正的飞跃发生在其对光的反应性上 。 在对光的敏感度上 ， 检测发现 ， 这个球形仿生眼对强度范围很广的光都能产生反应 ， 光强低至每平方厘米0.3微瓦（1微瓦等于一百万分之一瓦）时仿生眼仍然有反应 。 换句话说 ， 每一根纳米线只要每秒钟检测到86个光子就能产生“视觉信号”了 ， 其灵敏度已经达到了人眼的水平 。
几乎所有动物 ， 要想生存 ， 都需要对外界环境的变化时刻保持警觉并尽快做出反应 。 这种事关生死的需求推动了生物体视觉系统的进化 ， 一方面 ， 使感光的神经元在被光照射后能迅速产生电信号；另一方面 ， 这些神经元在停止光照后能够迅速恢复到静息状态 ， 为再一次被光激活做好准备 。 也就是说 ， 视网膜上感光神经元的光反应时间和恢复时间都要尽可能短 。 通过用光脉冲照射这个仿生眼 ， 研究人员检测发现 ， 其感光纳米线在光照后19.2毫秒（1毫秒等于0.001秒）就能产生电信号 ， 在停止照射23.9毫秒后就能恢复到静息状态 。 这样的反应速度甚至已经远远超过了人眼：人视网膜上的感光神经元的反应时间和恢复时间大约在40-150毫秒 。
这个仿生眼另一个让人感到惊艳的地方是它可以实现的分辨率 。 无论是人眼 ， 还是相机 ， 其分辨率都受限于其感光单元的密度 。 对于人眼来说 ， 这种感光单元就是视网膜上的感光神经元；而对于这种新的仿生眼来说 ， 则是能感光的钙钛矿纳米线 。 人的视网膜上分布了密度很高的感光神经元 ， 每平方厘米上平均有1000万个这样的神经元 。 在这个概念验证性的仿生眼中 ， 虽然科学家只添加了100根纳米线 ， 但根据这款仿生眼的制造策略和纳米线的排布方式 ， 他们理论上能够在仿生眼的视网膜上添加很高密度的纳米线 ， 达到每平方厘米4.6亿根纳米线 ， 感光单元的密度已经是人视网膜的近50倍 。
清晰的影像
一款仿生眼系统 ， 设计策略再新颖 ， 光电参数再超人 ， 如果成像效果不好 ， 那么一切都只是空谈 ， 因此科研人员随后对其成像效果进行了评估 。
科学家首先把光学图案（各种英文字母）投射到这个100像素的概念验证性仿生眼上 。 仿生眼在采集到光信号后将其转换为电信号 ， 然后传给计算机进行处理 。 一方面 ， 计算机根据光电信号的强弱 ， 赋予每一根纳米线采集到的信号不同的灰度值；另一方面 ， 这些不同灰度值的影像会被投射到一个平面上 。 检测发现 ， 与平面的影像采集系统相比 ， 这个仿生眼系统的性能要优越得多 。 除了视野更宽外 ， 仿生眼产生的影像很稳定 ， 对比度更高 ， 影像的边界也更加清晰 。 在对系统进一步优化后 ， 研究人员用仿生眼采集的信号成功重构出了一个大约1毫米见方的英语字母“E” 。
尽管实现了仿生眼领域的飞跃 ， 但这个系统仍有很多地方需要完善：这个仿生眼是概念验证性的 ， 只有100个像素 ， 其感光区域的大小只有2毫米见方；仿生眼的制造工艺成本较高 ， 而且有些步骤比较耗时；要想制造更大尺度的仿生眼以及进一步提高其分辨率 ， 液态金属管需要更细等等 。 虽然还有很多地方需要改进 ， 但在《自然》杂志的专家点评文章中 ， 美国威斯康星大学工程系教授江洪睿认为 ， 这种技术有可能在10年内在日常生活中得到广泛应用 。 也许到那时 ， 丽莎·库利克这样的病人将能更加清晰地看到这个世界 。
南方周末特约撰稿 陈彬


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