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多项性能超越人眼!仿生眼领域重大突破登上 Nature

能帮助视觉受损者重见光明的技术,除了角膜移植、脑电技术、还有仿生眼。

2015 年,美国明尼苏达州一位名为 Allen Zderad 的 68 岁男子在失明 10 年之后,凭借一双“仿生眼”重见光明。

不得不说,仿生眼给了我们希望,但也依然比较遥远——其中的一个难点就在于眼镜的球形结构和视网膜

而近日,来自香港科技大学电子及计算机工程学系范智勇团队、加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系和美国劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部的一组研究人员就视网膜问题提出了最新的方案。

2020 年 5 月 20 日,该团队题为 A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina(具有半球形钙钛矿纳米线阵列视网膜的仿生眼)的论文在线发表于《自然》(Nature)杂志。

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具有半球形视网膜的电化学眼

相比相机中的平面图像传感器,人眼具有天然的巧妙光学布局:球形的视网膜减少了从晶状体通过的光线,因此突出了焦点。

多项性能超越人眼!仿生眼领域重大突破登上 Nature

具有特殊的图像感知特性,如视野宽、分辨率高、像差低、灵敏度高。然而要想研发出满足上述特性的仿生眼谈何容易。

而该研究团队的方案是,设计一种由高密度(密度高达 4.6×10-8  cm–2,远高于人眼视网膜中的感光器密度 10-7 cm–2)纳米线阵列组成的、具有半球形视网膜的电化学眼 EC-EYE(EyeroChemical EYE),旨在模仿人眼视网膜上的光感受器。

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具体的结构、运作方式如下:

如上图所示,晶状体(Lens)固定在仿生眼的小孔上,仿生眼由前侧的金属壳(Aluminium shell)、后侧的人造视网膜(Retina)和中间的离子液体(lonic liquid)组成。

而这项研究最主要的突破是后侧的半球形视网膜,从上图可以清晰地看到密集排列的光敏纳米线(Nanowire,模拟人眼视网膜中的感光细胞)被固定在氧化铝膜(Aluminium shell)的孔中。 聚合物插座(Socket)用于固定视网膜,确保纳米线和背面的液态金属线(Liquid-metal Wire)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。

仿生眼领域的一次显著突破

那么基于这样的设计,其效果如何呢?

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【该设计的艺术化形象】

在论文中,通过重建投射到设备上的光学图案,研究团队演示了仿生眼的图像感测功能,从而发现,这一仿生眼相比此前的一些设计可以说是脱颖而出,主要在于以下一些方面:

  1. 与人眼在构造方面具有高度的相似性,视野可达到 100 °,相比之下,静态人眼的垂直视野约为 130 °。

  2. 人造视网膜可检测的光线强度区间为每立方厘米 0.3 微瓦到每平方厘米 50 毫瓦,跨度较大。

  3. 在最低强度下,人造视网膜中的每条纳米线平均每秒可检测到 86 个光子,与人眼视网膜中光感受器的灵敏度相当。

    雷锋网了解到,这一特性主要在于制造纳米线所用到的钙钛矿材料。

    实际上,钙钛矿化合物在制造各种光电和光子应用方面极具潜力。特别的是,该研究团队使用的钙钛矿是碘化甲脒铅,而选择它的理由就在于其优异的光电性能和良好的稳定性。

  4. 当纳米线阵列受有规则的快速光脉冲刺激时,可在 19.2 毫秒内快速对脉冲进行响应,从而产生电流,并可在脉冲结束时最快用 23.9 毫秒的时间来恢复(即回到其非活动状态)。

    据了解,为判断仿生眼能够多快地响应光信号,响应和恢复时间是一组重要的参数。实际上,人眼视网膜中光感受器的响应和恢复时间在 40-150 毫秒的区间内。

  5. 该设计有望比人眼的分辨率更高,因为纳米线密度可以提高到人眼光感受器的 10 倍以上。

与此同时,这一仿生眼也面临着一些挑战:

  1. 光电传感器阵列仅有 10 × 10 个像素,像素间有约 200 µm 的间隙,这意味着光检测区只有大约 2mm 宽。此外,制造工艺中的一些步骤成本高,且不适合量产。

  2. 为提高视网膜的分辨率性能,需减小液态金属线的尺寸。目前其外径约 700 µm,但理想情况下应与纳米线直径(大约在几微米左右)相当。

  3. 人工视网膜的使用寿命还需进一步测试。研究团队表示,在 9 个小时的操作之后,其性能无明显降低,但其它电化学装置的性能可能会出现劣化的态势。

  4. 离子液体浓度较高时,响应和恢复时间将受到影响,因此需要进一步优化。

但客观来讲,这一设计已经是过去几十年以来仿生眼领域的一次显著突破了。

雷锋网注意到,其突破不仅在于这一仿生眼模仿了人眼,也是通过模仿对类似昆虫的复眼等结构来实现的。

而基于这项研究所取得的进展,仿生光敏器件可实现进一步的优化,未来十年内将仿生眼应用于消费类电子产品、机器人等广泛的场景也可以说是指日可待了。

正如论文合著者之一范志勇教授所说:

我们希望在生物相容性、稳定性等方面进一步改善。我认为,如果一切都按计划进行的话,那么该技术有可能在 5 年内落地应用。

关于作者

正如上文所述,香港科技大学电子及计算机工程学系范智勇团队参与了此项研究。

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根据香港科技大学官网,范智勇教授团队迄今已在顶级期刊上发表了 170 多篇研究论文,引用次数达 18,000 次。

范智勇教授分别于 1998 年和 2001 年在复旦大学获得物理电子学学士、硕士学位,于 2006 年获得加州大学欧文分校材料科学博士学位。

2007-2010 年,范智勇教授在加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系与美国劳伦斯伯克利国家实验室担任博士后研究员。

2010 年 5 月,范智勇教授加入香港科技大学,任电子及计算机工程学系副教授。 

此外,他还是自然出版集团开放获取期刊《科学报告》编辑委员会成员和施普林格《纳米研究快讯》副主编。范智勇教授同时也担任《自然材料》、《自然纳米技术》、《自然通讯》、《纳米通讯》、《ACS 纳米》、《先进材料》、《能源与环境科学》、《应用化学》、《ieee edl》等杂志的审稿人。

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引用来源:

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-020-01420-7

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2285-x

[3]https://seng.ust.hk/news/20200521/prof-fan-zhiyong-leads-his-team-publish-sci-fi-inspired-super-human-eye-research

雷锋网(公众号:雷锋网)

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