首個復現人眼的人工眼誕生，感光時間比人眼更短

新型人造眼的藝術效果圖。圖片來源：顧雷雷、奇彩動畫科技有限公司

撰文 | Sophie Bushwick

翻譯 | 張玉

審校 | 施懌

人類的眼睛就像一臺精密的儀器：光線穿過眼球前方彎曲的晶狀體，經過眼球內部粘稠的玻璃狀液體，到達感光的視網膜——視網膜上的細胞能將光信號轉化為電信號，通過視神經傳送到大腦。近十年來，工程師們一直試圖複製這種眼球結構。最近，研究人員製造出了一種新的人工眼，成功模仿了人眼的球形結構，相關的論文發表在《自然》上。研究人員希望這一成果能催生出更敏銳的機器人視覺和人工假眼。

這項研究的材料基礎是鈣鈦礦，它是一種用於太陽能電池的導電光敏材料，可以用來製造極薄的納米線，長度只有千分之幾毫米。香港科技大學電子和計算機工程師範志勇是這項研究的共同作者之一，他說，這些電線模擬了視網膜上細長結構的感光細胞。他補充道：「但問題是，我們如何製造一組納米線，形成這個半球形的視網膜？」

設計彎曲的視網膜是很重要的，因為光要通過一個彎曲的晶狀體後才會照射到它。威斯康星大學麥迪遜分校的電氣工程師Hongrui Jiang說：「當你試圖給某物成像時，透鏡後形成的圖像是彎曲的。如果電子光傳感器是平的，那麼圖像就不能清晰地聚焦。」相比於人類彎曲的視網膜，而這一傳感器通常是剛性且平坦的。

為了解決這個問題，範志勇等人先將軟鋁箔做成半球形。然後用電化學方法處理這種金屬，把它轉化成一種氧化鋁絕緣體。這一過程使得這種材料布滿了納米級的孔隙。最終，研究人員得到一個彎曲的半球，上面布滿了密度合適的小孔，可以用來「生長」鈣鈦礦納米線。「納米線的密度非常高，」Jiang說，「這是可以比較的——事實上，它甚至比人眼感光細胞的密度還要高。」

有了彎曲的「視網膜」，科學家們把它植入進了一個人造眼球，這個人造眼球的前部有一個彎曲的透鏡。受真實人眼中玻璃狀液體的啟發，該團隊在仿生眼中加入了離子液體。在這種溶液中，帶電粒子可以移動。「其中一個非常重要的組分是我們填充在腔體中的離子液體，」範志勇說，「一旦這些納米線產生電荷，電荷就能在一些離子間進行交換。」這種電荷交換使得鈣鈦礦納米線能夠執行電化學功能，如探測光線並將信號發送至外部圖像處理設備。

當研究小組測試這一人造眼球時，它對光的處理過程僅為19毫秒，是人眼所需時間的一半。它產生的圖像相比於像素相近的平面圖像傳感器，具有更高的對比度和更清晰的邊緣。在某種程度上，這種人造眼球改善了自然視力：它可以接收光的波長範圍更大，而且沒有盲點。

範志勇希望與醫學研究人員合作，基於這一設計製造人工假眼。但是，這還需要研究人員進行更多的開發。Second Sight生物醫學公司的臨床和科學事務的副總裁Jessy Dorn表示，「這是一項驚人的研究。」但她也表示：「但他們沒有談到它如何與人類的視覺系統建立聯繫。」

Dorn從事研發治療失明的設備，包括一種名為Argus II的視網膜假體。她指出，開發電子接口只是第一步，這樣的設備需要與人類大腦相互作用，以產生圖像。「這是一項更大的挑戰是：如何將任何類型的高解析度的設備接口安全地、可靠地植入人類的視覺系統，並與其協同工作。」

失明有多種不同的類型，而完整的眼睛所產生的視覺也可能並不完美的。嬰兒期和兒童期的大腦發育對處理視覺輸入是至關重要的。因此，一個先天失明的人由於沒有健全的視覺神經通路，可能永遠不能通過人造眼看見事物。Dorn指出，接受Argus II植入手術的人，都是在成年後很久才失去視力。甚至，植入手術的效果也是不同的：有些人只能分辨光和影，而有些人可以分辨形狀。

不過，她說，任何程度的術後視力恢復，都能提高患者獨立生活和自由行動的能力。而且，製造假眼並不是人造眼唯一有價值的用途：這種設備還可以直接應用於構建機器人視覺。

Jiang表示，「模仿出自然的眼睛，一直是許多光學工程師的夢想」，一些研究人員試圖模仿哺乳動物的眼睛，而另一些則在研究昆蟲的複眼。他補充說，這個領域終於開始有了真正的突破，「我認為在大約10年內，我們應該能看到這些仿生眼一些非常實際的應用。」