港科大3D人工眼球問世，未來我們能看到多遠？

不同的學術領域都有其各自著名的學術期刊，就如醫學有《柳葉刀》一般，科學領域也有英國的《自然》、美國的《科學》等，涉及領域包含物理、生物、化學等。雖說是雜誌，但都是比較專業且有可信實驗數據支撐的的學術論文，可以說其內容都經過了嚴格審核。

而最香港科技大學範志勇團隊正是在Nature（自然）雜誌上發布了一篇關於3D人工眼球的文章與原型試驗品，其號稱在多項技術指標與領域的突破為失明的人們帶來了福音。

我們是怎樣感知事物的

感知世界帶來的科技進步：

有人說感知即是力量或者說是進步先決條件，想一想你想要發展科技，但在玻璃沒有發明之前你認識不到微小的事物，例如你不知道細菌的存在，以前人們一生病可能認為是妖怪作祟，請道士來做法。而當認識到微觀事物的存在經過醫學的臨床對照試驗，便發現了疾病的真正原因，醫學得以發展。

同理我們發現了電子、電磁波，光電效應等，然後利用電子發明了電子顯微鏡，通過電子顯微鏡認識到了如今我們能感知到微觀的極限，進而也發展出了量子力學、化學等理論學科，並將理論用於現實，給我們生活帶來翻天覆地的變化。大家現在所用的手機、電腦、硬碟、寬帶、無線電、雷射、核磁共振、磁懸浮列車等，無不是對微觀世界了解後人類發現的理論用於現實的產物。

既然獲得感知有這麼多好處，那我們人類又是怎麼演化千萬年獲得如今感知的呢？

生物如何感知世界以及感知對人類的作用：

這得從生物進化的兩個階段說起，感知是來之不易的，在地球上所有生物都是通過學習演化進而獲得感知，其目的還是為了更好的生存。

①應激反應

例如草履蟲（單細胞生物）細胞膜上的每個蛋白質（鈉鉀離子通道），在一般狀態時，會消耗能量（ATP），通過控制離子的進出，讓細胞膜內外保持-40mV濃度差，當觸碰到障礙物時，細胞膜的形變（物理輸入信息）會讓這些蛋白質（離子通道）開門，允許特定離子通過，這些離子（整體）就形成能讓草履蟲向反方向遊動的電信號，避開危險。從數學視角來理解單個蛋白質的功能：則外界的物理擠壓相當於輸入，蛋白質對應的開關門操作相當於輸出，而決定了什麼樣的輸入該對應哪一種輸出的蛋白質相當於模型（函數）。別看單個蛋白質僅有開關門的功能，但它實際上把無數種情況壓縮進了一個函數（模型），如果要靠計算機來記憶每一種物理擠壓對應的開關門情況，就相當於讓計算機去記憶π小數點後的每個數字。而應激反應正是這些蛋白質並行工作後湧現出的結果，可允許草履蟲在狀態被破壞之前躲避危險。

通過大量克隆帶有不同DNA的自己來生成不同的蛋白質，增加備選模型，由自然選擇篩選掉那些不能躲避危險的模型，在篩選後的模型的基礎上再不斷重複上述過程。最終留下能較為完美感知外在環境並躲避危險的個體。

而這僅僅是最簡單的生物感知外在環境的過程，在這之上包含我們人類在內還進化出了更為高級的感知系統。

②神經網絡學習

在寒武紀大爆發後，不知為何生命突然進化出了神經細胞，這一信息高效交流模式相比應激反應不知先進高效了多少倍，其通過獨特排列方式的神經突觸瞬間傳輸電脈衝信號並整合運算（猶如量子計算機式的並行運算）的機制讓我們產生了對信息獨特的理解與反饋方式，至此生命由自然演化優勝劣汰（死亡）的形式邁入神經網絡學習的時代。.

進化出神經網絡的生物不再依靠一代代生命的優勝劣汰篩選來提高效率，神經網絡的學習需要總結經驗，當然也就需要記憶，還需要預測信息之外的經驗（泛化能力），神經網絡學習的原理說來也簡單，物種在接收外部信息後，通過不斷重複嘗試成功或者失敗，調節神經突觸中受體的數量，尋找合適接收電信號頻率的過程。在這個過程中物種的遺忘（遺忘那些錯誤或不適應生存的經驗）代替了演化中的死亡（篩選），而不斷嘗試重複例子的過程也就是尋找神經突粗合適受體數量，找到最適合傳輸信息（電信號）頻率的過程就是我們的神經網絡學習。

最終人類在神經網絡學習的過程中進化出了五感，而人類作為「萬物之靈」不僅僅有五感，還擁有相較其他動物複雜得多的大腦神經網絡（單看某一感官的話很多動物都比我們好），豐富的腦神經網絡能融會貫通五感所獲得的信息進行思考，認識到事物背後的規律並能運用發明的工具來解決問題，從某種意義上說這也是一種感知。而正是這種融合五感的新感知使我們發展出如今繁榮的文明社會。

眼睛哪部分損傷會造成失明？

引起失明可能是角膜、晶狀體、玻璃體、視網膜、鞏膜、脈絡膜和視神經等部位受損，如果僅僅是起到鏡面聚焦的晶狀體受損那還比較好修復。而就如數位照相機的核心部件是感光原件一樣我們眼睛的核心是眼角膜。

而往往眼角膜受損對視力恢復來說也是最為困難的，因為上面有數量眾多的生物光感受器，目前較為常用的方式是採用人工移植視網膜的方式，但人類視網膜的數量總是有限的，於是我們想到了用其他動物的眼角膜進行代替，例如豬的眼角膜，我國也成功培養移植過該眼角膜，不過其效果很有限只能模糊的看見事物。

那麼研發與製造一個達到人類視網膜水平的人工眼球便成為了核心重點。

港科大3D眼球的優勢與需要解決的問題

港科大這次發布的是一款完全模仿人眼結構的3D電化學眼球（EC-EYE），大小與人眼相當，當然可以根據不同人眼球大小進行私人定製。

1、3D眼球的突破

①更高解析度的成像

眾所周知感光元件是相機的核心，也是最關鍵的技術，而數位相機的發展過程可以說便是感光元件的發展過程，相機中的感光元件大體分為CCD（電荷耦合）元件與CMOS（互補金屬氧化物半導體）元件，究其根本都是通過光電效應將不同光源轉換為不同比例的電信號。

而隨著技術的提高，就如晶片逐漸由14nm製程變為7nm，人造眼球的視網膜納米線陣列密度也將越來越高，也就如相機的感光元件與傳感器密度越大所接收到的光感也越細緻，呈現畫面的解析度越高。而這次港科大的的人造眼球便是如此，該團隊通過在球形氧化鋁膜上排布高密度鈣鈦礦納米線陣列來實現我們視網膜的光感受功能（如同相機的感光元件）。其納米傳感器密度達到4.6×10^8/平方釐米，是正常人視網膜光感受細胞的40倍以上，理論上我們也能接收到更加細緻的信息，也就是高清的視覺。

②半球狀人工視網膜

另外一個突破便是範志勇團隊將視網膜的光感受器完美的安裝到視網膜的半球形狀上，這是世上首次實現，以前因為種種技術原因都是將人工光感受器安裝在一個平面上，而眾所周知人眼是要聚焦的，該球形狀視網膜完全仿造人體設計也能讓失明患者更加清晰看到世界。

在視網膜的正面（接收光源面）是高密度鈣鈦礦納米線，背面連有液態金屬線模擬人類視網膜後神經纖維，當然眼窩也是可以做的。

③對光敏感度更高

在實驗中團隊還發現該人工眼擁有比人眼更加優異的感光度與靈敏度，也就是說納米光感受陣列接受光信號刺激後會在19.2毫秒內產生電流，而這個速度還不到人眼反應時間的一半。小生不由得想到最近流行的高刷新率120Hz屏幕，何不給眼睛也換一雙高刷新率的（當然那便涉及到人腦對快速發生事物的理解層面了）。

2、人工眼球需要解決的問題

其實早在2013年一款名為Argue 2的仿生眼設備便被美國食藥監局批准上市銷售，與如今港科大開發的人工眼球不同該設備為一副裝載有微型攝像頭的眼鏡，拍攝到的畫面經過眼鏡晶片解析成大腦可以理解的信號，再通過無線傳輸給植入眼球內的人工視網膜進而被大腦所理解使我們重見光明。不過它也還有很多缺陷例如售價高昂，成像模糊只能看到模糊的黑白輪廓光影。

而如今港科大的3D人工眼球看似提高了解析度與光感受度，但它也有自己的缺陷:

①該電化學眼鏡在離子濃度較高的環境中液體的光透射性能會下降，也就是電化學原件的性能降低，所以其壽命也未可知。

②人工視網膜背後模仿視覺末梢神經的液態金屬導線還不能小到與微型高密度的納米感光線相匹配且成本較高，這還需要我們在材料學上下功夫。

③人機結合最重要的永遠在於結合的過程，而不單是機器本身強大就好了，所以如何將人工眼球視網膜所接收到的光信號處理並安全穩定的與大腦交互產生圖像才是真正的難題，即該設備需從材料學，生物學等多學科融合後完美的模擬人類神經網絡傳遞模式。

未來人工眼球的發展方向

人工眼球的發展方向就如人類的進化方向一般，大體會採用兩種方式：

①人工裝置的植入

②DNA工程編輯

而要實現人與「機械」的完美融合，勢必機械不再是簡單的機械，無論是為了避免排異反應還是能更好的信息交互，生物工程技術都將融入其中。也就是說很可能人體本身進行基因工程的編輯，同時如果身體部分受損可以通過體外培養納米生物機械再融入我們身體中（當然那時候可能不叫納米生物機械）。

人的視覺作為我們的重要感官，勢必也是同樣的發展方式。如今的3D眼球已經在技術指標上超越人類眼球，剩下的似乎主要便是如何使信息有效與人體感官交融。當信息交融與其他問題都解決後也許我們的眼睛本身便會成為高解析度的望遠鏡或顯微鏡，甚至變為信息傳輸的終端載體直接將需要接收的信息顯示在視網膜上等等（當然這樣也許會出現黑鏡中的場景例如你要屏蔽某人又或者被黑客所控制）。

結語

人類接收外界至少70％的信息來源於視覺，這也是為什麼海倫.凱勒寫下後天失明者的感嘆「如果給我三天光明，我會看見多少東西啊！」可見眼睛對我們來說多麼重要，是最重要的感知器官，同時也是心靈的窗口可以說無論是接收還是表達信息都是極為重要的。

我們人類要實現進化或重見光明勢必會發展人工眼球技術，就像如今的遊戲引擎畫面越來越像我們的真實世界般，人工眼球也將從神態、功能等方面模仿我們人眼。不過未來相信在此基礎上還會提升各方面的性能參數例如解析度、感光率、信息交互等。而隨著材料學、生物醫學、計算機等多方面學科的進步融合這一切都將變為現實。

科學因感知而發展，人類因科學而獲得新的感知進而拓展科學的新疆域。