仿生眼部分性能已超過人眼，未來實現人類超級視力不是妄想。
作者 | 龍浩 王皓寧 微電子學與固體電子學博士
責編 | 高佩雯
「黑暗讓人感激視覺，沉默讓人感謝聲音。」海倫·凱勒在《假如給我三天光明》中如是說。
視力對人至關重要，一旦失明，生活質量就會大受影響。而仿生眼的誕生，給失明患者帶來了新希望；新的技術進展，亦不斷將不可能化為可能。
最近，《自然》雜誌報導了一項革命性進展：通過高密度的人工視網膜製造工藝，讓仿生眼成像性能超過了人眼。如果能解決眼、腦協作問題，讓盲人重見光明、甚至實現超級視力將指日可待。
失明患者的希望之光：仿生眼
人們感受外界信息80%靠視覺。據世衛組織2019年報告，全球視力損傷或失明者達22億人以上，其中失明對患者生活影響最大（《世界視力報告》2019）。
儘管手機等電子產品的無障礙設計可以幫助盲人感受世界進步，但他們依然不得不忍受在黑暗中孤獨摸索。
引起失明的原因很多，可能是眼睛，也可能是大腦。而視網膜病變、眼外傷等原因最為常見。仿生眼作為具有視覺功能的義眼（視覺假體），為解決這類問題提供了可行方案。
仿生眼是參考人眼結構、為實現人眼功能而研發的人造器官。人眼包含角膜、瞳孔、虹膜、晶狀體、玻璃體、視網膜、視神經等結構，複雜而神奇。而從光學成像角度看，人眼結構卻又十分簡單：
外界影像通過晶狀體（相當於透鏡）成像在視網膜（相當於圖像傳感器）上，並由視細胞（組成視網膜的細胞，相當於光電探測器）將光信號轉換成電信號，然後經視神經傳遞給大腦，由視覺中樞進行處理。
人眼結構：外界影像通過晶狀體成像在視網膜上，再轉化成電信號送到大腦 | 圖蟲創意
如果晶狀體或者視網膜損壞，大腦就無法獲取正確的電信號，失明就發生了。
不過，像光電轉換一類的工作不一定需要人眼，數位相機也能做。那麼，針對這類由眼睛問題引起的失明，如果使用數位相機代替人眼成像再傳給大腦，是不是就可以重現視力了呢？答案是肯定的。
第一個外置仿生眼就這樣誕生了。它被命名為Argus，取自希臘神話中的百眼巨人。
Argus由一副攝像眼鏡、一個小型電腦和一個植入晶片構成：攝像眼鏡捕捉外界光影，轉變成數字電信號，傳遞給電腦；電腦將其轉為人腦可以理解的電信號，再無線傳輸給晶片；晶片釋放微弱電信號，刺激尚未受損的視細胞，或直接通過視神經傳遞給大腦，從而讓人看到世界。
外置仿生眼Argus II | Wykop.pl
這個大膽構想已經讓不少失明者看到了世界的輪廓和光影。但遺憾的是，限於當時技術水平，它只能讓人看到黑白的巨大馬賽克，距離人眼所具有的超寬視角、高解析度、高靈敏度和低像差的理想成像還相去甚遠；並且外掛多個設備，也讓用戶體驗大打折扣。
日趨完善的技術，突破仿生眼技術瓶頸
那麼，要如何得到理想成像呢？科學家們從多個角度出發，進行了攻關。
其一，是對傳感器（即「視網膜」）形狀進行改進，令其更好地聚焦。這一步可以通過3D列印實現。
通常，為了消除非近軸光線帶來的像差，人造光學成像系統往往需要引入複雜的結構設計：比如一臺單眼相機，鏡頭通常由5片甚至5片以上的透鏡組成；而要獲得超寬的視角，則需要採用廣角鏡頭，這樣形成的圖像通常是曲面的（稱作「像場彎曲」）。由於場曲的存在，平面傳感器無法對圖像全面聚焦。
像場彎曲：圖像聚焦不在一個平面上（左圖中藍亮線為「像」，右圖為平面聚焦效果，像的邊緣或中心無法同時聚焦）| Opto-e.com
而人眼視網膜恰是彎曲的凹半球形狀，可以對場曲進行完美補償。這種無需引入複雜光學系統的特殊形狀，是大自然的完美設計。
所以，是否可以仿照人眼視網膜的結構，來設計「曲面人工視網膜」呢？
理想很豐滿，但工程實現卻很難：傳統圖像傳感器採用微電子平面工藝，使用的矽晶圓等半導體材料都是剛性且扁平的，要把它們做成特殊的彎曲形狀，得想點其他辦法。
好在美國明尼蘇達大學的McAlpine教授迎難而上，提出了可行解決方案。他的母親不幸罹患失明，在為母親調研仿生眼技術時，他驚奇地發現，自己所擅長的3D列印技術，正好可以解決製造彎曲人工視網膜的技術難題。
2018年，McAlpine採用3D印表機在半球形的玻璃內表面上，列印出了有機光電探測器陣列，形成了曲面圖像傳感器。
這讓McAlpine和他的母親欣喜不已。每當McAlpine談論他的工作時，老太太就會充滿期待地問：「你什麼時候列印我的仿生眼？」
McAlpine教授和他的3D列印仿生眼 | Wired.com
但遺憾的是，McAlpine列印出的曲面圖像傳感器目前僅有17個像素（對應17個光電探測器），像素間距僅在毫米級，成像單元密度遠遠無法滿足視覺要求。
McAlpine教授的仿生眼：每個光電探測器（左邊紅圈）對應1個像素 | Advanced Materials
McAlpine正在持續改進3D列印技術，希望早日為母親和更多失明患者列印出高成像單元密度的仿生眼。
第二個改進方向是，使用新材料與納米技術，提高成像單元密度，讓仿生眼比肩甚至超越人眼。這也是本篇報導的著眼點。
在今年5月《自然》雜誌報導的一項新研究中，香港科技大學宣布，他們採用新材料和納米技術，製造出了高成像單元密度的半球形人造視網膜。
他們使用充滿微小孔隙的半球形氧化鋁薄膜框架，利用鈣鈦礦（一種用於太陽能電池的明星材料）在孔隙中製備納米線光電探測器，然後固定在3D列印的半球人工眼窩上，再用細而軟的液態金屬線將光電信號導出。
納米線光電探測陣列，實現高密度半球人工視網膜 | 香港科技大學
該技術的最大的亮點在於，在半球形框架上成功製備了高密度的納米線光電探測器來模仿人眼視網膜上的視細胞，每平方釐米的納米線光電探測器數量可達四億六千萬個，比人眼視網膜上的視細胞密度（每平方釐米約一千萬個）還高四十多倍。
並且，它的視野範圍達到了前所未有的100°，已經十分接近靜態人眼的垂直視野（130°）；同時，還具有超快的響應和恢復速度（分別只需19.2毫秒和23.9毫秒）；以及良好的弱光響應特性，每秒86個光子入射即有良好光響應。可以說，總體性能已經不輸人眼。
未來仿生眼技術，讓超級視覺成為可能
但仿生眼的故事不止於此。它還可以用來改善正常人的自然視覺，幫助打造超級視力！
首先是在電磁波譜上，它可以讓人類看見非可見光。人眼所能看到的光波長大約在380～780納米，而紅外光、紫外光等超越此範圍的電磁波都無法被人眼感知。
但如今的科技，已經打造出可以探測各種波長的傳感器。如果將其裝進仿生眼，人類即可獲得對紅外、紫外甚至X射線的感知，夜視和透視能力將不是傳說。
此外，仿生眼技術還可以用在機器視覺和消費類電子產品中，在人工智慧加持下，應用前景無限廣闊。
裝著仿生眼的機器人 | 電影《I, Robot》
不過，要讓這些變成現實，還有許多困難要克服。這其中最大的問題是，如何將仿生眼產生的電信號準確轉換為大腦可以理解的形式，讓仿生眼與人類視覺系統能夠高效協同工作。
還有生物相容性、使用壽命、色彩還原能力、電力續航等，也是需要綜合考慮的問題。
總的來說，儘管人類要獲得超級視覺，還有很長一段路要走。但至少在未來若干年裡，我們可以期待仿生眼幫助失明患者掀開眼前的「簾」，帶他們領略四季變換、閱讀浩瀚書海，讓他們感受到科技溫度，看見世界就在眼前。
參考文獻
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