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首个复现人眼的人工眼诞生,感光时间比人眼更短

时间: 2020年06月15日 | 作者: Sophie Bushwick | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
最近,研究人员制造出了一种新的人工眼,成功模仿了人眼的球形结构,相关的论文发表在《自然》上。研究人员希望这一成果能催生出更敏锐的机器人视觉和人工假眼。


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新型人造眼的艺术效果图。图片来源:顾雷雷、奇彩动画科技有限公司


撰文 | Sophie Bushwick

翻译 | 张玉

审校 | 施怿


人类的眼睛就像一台精密的仪器:光线穿过眼球前方弯曲的晶状体,经过眼球内部粘稠的玻璃状液体,到达感光的视网膜——视网膜上的细胞能将光信号转化为电信号,通过视神经传送到大脑。近十年来,工程师们一直试图复制这种眼球结构。最近,研究人员制造出了一种新的人工眼,成功模仿了人眼的球形结构,相关的论文发表在《自然》上。研究人员希望这一成果能催生出更敏锐的机器人视觉和人工假眼。


这项研究的材料基础是钙钛矿,它是一种用于太阳能电池的导电光敏材料,可以用来制造极薄的纳米线,长度只有千分之几毫米。香港科技大学电子和计算机工程师范志勇是这项研究的共同作者之一,他说,这些电线模拟了视网膜上细长结构的感光细胞。他补充道:“但问题是,我们如何制造一组纳米线,形成这个半球形的视网膜?”


设计弯曲的视网膜是很重要的,因为光要通过一个弯曲的晶状体后才会照射到它。威斯康星大学麦迪逊分校的电气工程师Hongrui Jiang说:“当你试图给某物成像时,透镜后形成的图像是弯曲的。如果电子光传感器是平的,那么图像就不能清晰地聚焦。”相比于人类弯曲的视网膜,而这一传感器通常是刚性且平坦的。


为了解决这个问题,范志勇等人先将软铝箔做成半球形。然后用电化学方法处理这种金属,把它转化成一种氧化铝绝缘体。这一过程使得这种材料布满了纳米级的孔隙。最终,研究人员得到一个弯曲的半球,上面布满了密度合适的小孔,可以用来“生长”钙钛矿纳米线。“纳米线的密度非常高,”Jiang说,“这是可以比较的——事实上,它甚至比人眼感光细胞的密度还要高。”


有了弯曲的“视网膜”,科学家们把它植入进了一个人造眼球,这个人造眼球的前部有一个弯曲的透镜。受真实人眼中玻璃状液体的启发,该团队在仿生眼中加入了离子液体。在这种溶液中,带电粒子可以移动。“其中一个非常重要的组分是我们填充在腔体中的离子液体,”范志勇说,“一旦这些纳米线产生电荷,电荷就能在一些离子间进行交换。”这种电荷交换使得钙钛矿纳米线能够执行电化学功能,如探测光线并将信号发送至外部图像处理设备。


当研究小组测试这一人造眼球时,它对光的处理过程仅为19毫秒,是人眼所需时间的一半。它产生的图像相比于像素相近的平面图像传感器,具有更高的对比度和更清晰的边缘。在某种程度上,这种人造眼球改善了自然视力:它可以接收光的波长范围更大,而且没有盲点。


范志勇希望与医学研究人员合作,基于这一设计制造人工假眼。但是,这还需要研究人员进行更多的开发。Second Sight生物医学公司的临床和科学事务的副总裁Jessy Dorn表示,“这是一项惊人的研究。”但她也表示:“但他们没有谈到它如何与人类的视觉系统建立联系。”


Dorn从事研发治疗失明的设备,包括一种名为Argus II的视网膜假体。她指出,开发电子接口只是第一步,这样的设备需要与人类大脑相互作用,以产生图像。“这是一项更大的挑战是:如何将任何类型的高分辨率的设备接口安全地、可靠地植入人类的视觉系统,并与其协同工作。”


失明有多种不同的类型,而完整的眼睛所产生的视觉也可能并不完美的。婴儿期和儿童期的大脑发育对处理视觉输入是至关重要的。因此,一个先天失明的人由于没有健全的视觉神经通路,可能永远不能通过人造眼看见事物。Dorn指出,接受Argus II植入手术的人,都是在成年后很久才失去视力。甚至,植入手术的效果也是不同的:有些人只能分辨光和影,而有些人可以分辨形状。


不过,她说,任何程度的术后视力恢复,都能提高患者独立生活和自由行动的能力。而且,制造假眼并不是人造眼唯一有价值的用途:这种设备还可以直接应用于构建机器人视觉。


Jiang表示,“模仿出自然的眼睛,一直是许多光学工程师的梦想”,一些研究人员试图模仿哺乳动物的眼睛,而另一些则在研究昆虫的复眼。他补充说,这个领域终于开始有了真正的突破,“我认为在大约10年内,我们应该能看到这些仿生眼一些非常实际的应用。”


原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/new-artificial-eye-mimics-a-retinas-natural-curve/