仿生眼：让视觉障碍者重见光明

原创科学媒介中心科学媒介中心

点击上方“蓝字”关注我们吧

（图源：OFANTASTIC COLOR ANIMATION TECHNOLOGY CO.,LTD.）

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。

半球形视网膜的仿生眼

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。

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。

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4.6×10^8/平方厘米，远高于人类视网膜上感光细胞的密度（约10^7/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。

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。

（图源：Screengrab/Fast）

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。”

（图源：OFANTASTIC COLOR ANIMATION TECHNOLOGY CO.,LTD.）

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：

我就知道你“在看”

继续滑动看下一个