港科大「人造眼」研究成果登上Nature，反應速度比人眼更快

眼睛是人類最重要的器官之一，大腦中大約有80%的知識都是通過眼睛獲取的。如果把人的眼睛比作一種儀器，那它無疑是最精密的。

數十年來，科學家一直在嘗試複製眼睛的結構。如何構造球型的人類眼球，特別是半球形的視網膜，一直是一個難題。

人造眼渲染圖

日前，香港科技大學的顧磊磊、範智勇等人成功研製出一款新型的人造眼，其結構類似於真實的人眼。這種人造眼對光的敏感度與真實的眼球差不多，並且反應時間更快。

該研究於5月20日發表在《自然》雜誌上，標題為《具有半球形鈣鈦礦納米線陣列視網膜的仿生眼》：A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2285-x

人的眼睛之所以擁有廣闊的視角和高解析度的視力，主要歸功於穹頂狀的視網膜——眼球後部覆蓋著光探測細胞的區域。

本次研究的突破便在於構建了一款人工的視網膜，這種視網膜由模仿人類視網膜中感光細胞的納米級光電傳感器陣列組成。

基於該視網膜結構，在進行多項測試後，研究者發現人造眼已具有獲取圖像的基本功能。

本論文的評審，威斯康星大學麥迪遜分校的電氣工程師蔣洪瑞（音）說：「當你試圖給某一物體成像時，透鏡後形成的圖像實際上是彎曲的，如果只有一個平面傳感器，那麼圖像就不能非常清晰的聚焦。

視網膜是彎曲的，但光電子傳感器是堅硬且平坦的，所以，這裡需要將多個微型傳感器安裝在一個彎曲的視網膜上。

為了解決這一問題，範志勇團隊將軟鋁箔做成半球形，然後用電化學方法處理了金屬，再將其變成氧化鋁的絕緣體。過程中，他們在半球形材料上製作了納米級的小孔以便置放微型傳感器。

接著，他們使用鈣鈦礦這種常用於太陽能電池的導電光敏材料來製造極薄的納米導線來模擬眼睛裡細長的感光細胞的結構，從而將視網膜收到的信息傳遞給外部設備。

「人造眼」結構示意圖

有了彎曲的視網膜之後，研究人員著手將其整合到人造眼中。模擬真實眼睛中的「眼房水」，他們同樣在其仿生版本的眼球內填充了離子液體，允許帶電粒子在其中移動。

範智勇說，一旦納米線產生電荷，電荷將與某些例子交換，這種電交換可以使鈣鈦礦納米線執行電化學功能，以檢測光並將該型號發送到外部圖像處理器上。

如此一來，仿生人造眼便具有了基本的成像和輸出功能。

人造眼詳細結構圖

在測試人造眼時，研究人員發現它記錄照明變化的時間在30-40毫秒內，比人眼的40-150毫秒更快。同樣地，它還能看到與人眼一樣昏暗的光線。

但它只有100度的視角，不及人眼一般的150度，但比普通平面成像傳感器可見的70度要好。

在某些方面，人造眼可以改善自然視覺：它可以吸收更大範圍的波長，並且沒有盲點。

而且，從理論上講，這種人造眼可以比人眼感知到的解析度更高，因為人造視網膜每平方裡面最多可包含4.6億個光傳感器，但真實人眼視網膜每平方釐米大約只有1000萬個光檢測細胞。

但是，這僅是理論。目前的人造眼只有大約100個傳感器和導線，由於每一個傳感器都需要一根納米導線，如果真的要鋪滿整個仿生視網膜，那導線的體積會異常的大。

人造眼設備圖

況且，目前是通過人工將這些導線連接到人工眼球上的。研究這說「這就像是一場精細的外科手術。」

所以，本論文評審蔣洪瑞（音）表示：「對於幾百根納米線，好吧，但是幾百萬條呢？」工程師還需要一種更有效的方法來製造研究的大量細導線。

儘管本次研究發明的人造眼對於以往來說是一次突破，但本論文並沒有提及如何將這樣的人造眼與真實的人腦結合起來——這是一項期待值很高的應用。本文作者之一範智勇表示：「將來，我們可以將其應用於更好的視覺假體和類人機器人身上。」

人造眼渲染圖

這款人造眼能代替人眼，幫助視力受損的患者嗎？明確地說，目前還不能。

但是，科學家現在至少邁出了第一步，研製出了具有人眼成像功能的仿生眼。蔣洪瑞（音）說：「這一領域目前終於有了真正的突破。我認為在大約十年後，我們將看到一些人造眼的，非常實際的應用。」

範智勇也介紹，他們也希望能與醫學研究人員合作，設計出能夠代替人眼的設備，未來他們面臨的挑戰是：如何安全地讓感光設備與大腦交互產生圖像。

對於有視力障礙的人來說，得知這一技術突破沒人比他們更興奮：

「我也許總有一天能有兩隻眼睛，我從小就因為癌症缺少了一隻，我希望這項技術能夠快速發展。」

「作為一個完全左眼失明的人，我想要一個。」

但理智告訴我們，在人造眼與腦神經聯繫與交互之前，還有很長的路要走。