光敏納米線、半球形視網膜：特別像人眼的仿生眼

最新報導的人造眼擁有一個仿生視網膜的半球形組件，上面密集排布了納米級光傳感器。這個人造眼的部分感覺能力可與生物眼睛相媲美。

科幻小說中經常出現擁有人造眼的機器人，還有能與人腦結合的仿生眼，給盲人帶來光明。現實生活中，這類器件的開發傾注了研究人員大量的心血，但實現人眼的球形構造一直是一項巨大挑戰，特別是半球形的視網膜，這種障礙嚴重製約了人造和仿生眼的功能。顧磊磊[1]等人在《自然》期刊上報導了一種創新性的半球形凹面視網膜，它由納米級光傳感器（感光器）組成，這些光傳感器模擬了人類視網膜的感光細胞。作者將這個視網膜裝在一個電化學眼中，使之擁有好幾種堪比人眼的能力，還具備接收圖像模式的基本功能。

人眼的視網膜呈半球形，其光學布局比相機的平面圖像傳感器更為靈巧：視網膜的拱形構造能讓光線穿過晶狀體後不易發散，從而加強聚焦。顧磊磊等人的仿生電化學眼的核心組件是一組仿生視網膜的高密度感光器陣列（圖1）。這些感光器直接在半球形氧化鋁（Al2O3）膜的孔隙中組裝。

圖1|仿生人造眼

顧磊磊等人[1]報導了一個模擬人眼的人造視覺系統。一個透鏡被固定在「眼球」的孔徑上，「眼球」正面是金屬殼，背部是一個人造視網膜，中間填充了一種離子液體。這裡的關鍵創新是半球形的視網膜：一組密集的光敏納米線陣列排布在一層氧化鋁膜的孔隙中。納米線模擬的是生物視網膜的感光細胞。一個聚合物製作的眼窩託住視網膜，確保納米線可以和背部的液體金屬線發生電接觸。液體金屬線模擬的是神經纖維，能夠將納米線的信號傳輸至外部電路進行信號處理。

細細的柔性線其實是一些軟體橡膠管，裡面密封了一種液態金屬（鎵銦共晶合金），能將納米線感光器的信號傳輸至外部電路，進行信號處理。這些線模擬了連接人眼和大腦的神經纖維。液態金屬線和納米線之間有一層銦，可以增加兩者之間的電接觸。人造視網膜被固定在一個矽聚合物製作的眼窩上，確保液態金屬線和納米線之間能很好地對接。

這個器件的正面放了一個連著人造虹膜的透鏡，就和人眼的構造一樣。背部的視網膜與前面的一個半球形殼形成了一個球形腔（即「眼球」）；前面的鋁製半球形殼內有一層鎢膜。腔內填充了一種模擬玻璃體的離子液，玻璃體是人眼晶狀體和視網膜之間的膠狀體。這種設計對於發揮納米線的電化學功能十分必要。人造眼和人眼結構的整體相似性，讓顧磊磊等人的器件擁有100°的寬視場，而一個靜態人眼的垂直視場大約在130°左右。

顧磊磊等人的人造眼結構擬態令人印象深刻，但它和之前報導過的器件的真正區別在於，它的許多感覺能力更接近於天然眼睛。比如，這個人造視網膜可以探測到大範圍光強——從每平方釐米0.3微瓦到50毫瓦。在測試的最低光強下，人造視網膜的每根納米線平均每秒可探測到86個光子，與人類視網膜感光細胞的靈敏度不相上下。這種靈敏度來自於製作這些納米線的鈣鈦礦材料，這類材料在各種光電子和光子應用方面具有巨大前景[2]。顧磊磊等人使用的鈣鈦礦是甲脒鉛碘鹽（formamidinium lead iodide），選擇它是看重它具有出色的光電特性以及良好的穩定性。

納米線的響應度（responsivity）測量的是每瓦入射光所產生的電流，這裡的響應度對於可見光譜的所有頻率幾乎都一樣。此外，當納米線陣列受到規律快速的光脈衝刺激時，它在脈衝後19.2毫秒內就能產生電流；脈衝結束後，只要23.9毫秒就能恢復（回到不活躍的狀態）。響應時間和恢復時間都是非常重要的參數，因為它們最終決定了這個人造眼對於光信號的反應速度。與之相比，人類視網膜感光細胞的響應和恢復時間為40毫秒到150毫秒。

最值得稱道的可能要數這個人造視網膜所能達到的成像解析度——通過高密度納米線陣列得以實現。在以往的人造視網膜中，感光器要先在平面剛性的介質上製作，再轉移到彎曲的支撐面上[3]或是將介質摺疊成曲面[4]。這限制了成像單元的密度，因為各單元之間必須留有孔隙，才能完成轉移或摺疊。

相比之下，顧磊磊等人的人造眼的納米線是直接在曲面上組裝的，使它們之間可以緊密排列。實際上，納米線的密度高達4.6 × 108 cm–2，比人類視網膜（約107 cm–2）的感光細胞更密。來自每根納米線的信號都可以被獨立接收，但這個人造眼的像素需要由三到四根納米線組成。

從整體性能來看，顧磊磊等人的人造眼較同類器件是一次巨大的飛躍，但接下來還有很多工作要做。首先，當前的感光器陣列只有10 × 10像素，像素間的距離大概在200微米左右；這意味著光檢測區域只有大約2毫米寬。此外，製作工藝涉及一些費用高、吞吐率低的步驟，比如需要使用一種名為聚焦離子束刻蝕（focused-ion-beam etching）的昂貴技術來製備納米線的每個孔隙。今後有必要開發出高吞吐率的製備工藝，能以低得多的費用大規模生產感光器陣列。

第二，為了提高視網膜的解析度和比例尺，液態金屬線需要變得更細。這些線的外徑在700微米左右，但它最好能接近納米線的直徑（約幾微米）。目前想把液態金屬線縮小至這個尺寸還有難度。

第三，需要開展更多測試來確定人造視網膜的操作壽命。顧磊磊等人稱，人造視網膜的性能在運行九小時後並未出現明顯下降，但其他電化學器件的性能會隨時間退化。最後，作者稱高濃度的離子液體能減少器件的響應時間和恢復時間，但會影響到光在液體中的傳輸。有必要對離子液體的成分做進一步優化，以解決這個問題。

無論如何，顧磊磊等人的成果帶來了該領域的最新突破，過去幾十年的一系列研究[3-9]不僅模擬了類似相機的眼睛（如人眼），還模擬了類似昆蟲的複眼。有了這些進展，我們足以相信未來十年，我們有望看到人造和仿生眼廣泛應用於日常生活中。

參考文獻：

1.Gu, L. et al. Nature 581, 278–282 (2020).

2.Stranks, S. D. & Snaith, H. J. Nature Nanotechnol. 10, 391–402 (2015).

3.Ko, H. C. et al. Nature 454, 748–753 (2008).

4.Zhang, K. et al. Nature Commun. 8, 1782 (2017).

5.Jung, I. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, 1788–1793 (2011).

6.Liu, H., Huang, Y. & Jiang, H. Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, 3982–3985 (2016).

7. Floreano, D. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 110, 9267–9272 (2013).

8.Huang, C. C. et al. Small 10, 3050–3057 (2014).

9.Jeong, K. H., Kim, J. & Lee, L. P. Science 312, 557–561 (2006).

原文以Artificial eye boosted by hemispherical retina為標題發表在2020年5月20日的《自然》新聞與觀點上