圖片來源@視覺中國

　　文丨學(xué)術(shù)頭條

　　在科幻小說或電影中經(jīng)常會出現(xiàn)這樣的情節(jié)，通過人造眼睛的機(jī)器人可以精準(zhǔn)識別打擊目標(biāo)，完成人類無法完成的任務(wù)，或通過人造眼睛恢復(fù)盲人的視力。

　　事實(shí)上，這種畫面不僅出現(xiàn)在科幻小說中，在現(xiàn)實(shí)中，許多科學(xué)家也都在致力于仿生眼的研發(fā)，不過如何制造適合人類的仿生眼，尤其是人造視網(wǎng)膜的研發(fā)嚴(yán)重限制了仿生眼的發(fā)展。

　　而在本周《Nature》發(fā)表的一篇論文中，由香港科技大學(xué)范智勇教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊，成功開發(fā)了一種可以媲美人類視網(wǎng)膜的人工視網(wǎng)膜，由該視網(wǎng)膜組成的仿生眼在某些情況下甚至比人眼看的更清楚。

　　高密度人工視網(wǎng)膜

　　對于地球上的絕大部分生物來說，眼睛都是最重要的傳感器官，尤其是人類，大約 80% 的環(huán)境信息都是通過眼睛獲取。

　　人眼具有視場寬、分辨率高以及對光高度敏感的特點(diǎn)，這一切都源于半球形的視網(wǎng)膜和大量的視細(xì)胞——每平方厘米約 1000 萬個。模仿這些特點(diǎn)來創(chuàng)造人工仿生眼是機(jī)器人領(lǐng)域的一個焦點(diǎn)，對于開發(fā)視覺假體裝置具有重要意義。但是，視網(wǎng)膜的形狀和構(gòu)成使人工視網(wǎng)膜的制造頗具挑戰(zhàn)性。

　　而要想媲美人眼的功能，理論上，仿生眼的各種結(jié)構(gòu)都要和人眼類似，尤其是半球形視網(wǎng)膜。在人眼中，這種半球形的結(jié)構(gòu)可以有效補(bǔ)償成像差異，從而降低成像的復(fù)雜性。因此，要想開發(fā)優(yōu)秀的仿生眼，必須先要有優(yōu)秀的人工視網(wǎng)膜。

　　而此前，用作仿生眼的人工視網(wǎng)膜，商用電荷耦合器件和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器，主要通過主流平面微加工工藝成型，很難做成人類生物視網(wǎng)膜那樣的半球形。

　　即使此前有研究者，先將光電傳感器集成于平面剛性基板上，然后將其彎曲成類似人眼的曲面，但是因?yàn)樾枰A(yù)留折疊所需的空間，因此這限制了基板上納米傳感器的密度，無法實(shí)現(xiàn)較高的分辨率。

　　為了制造高分辨率人工視網(wǎng)膜，范智勇教授及同事展示了一種新設(shè)計：一種半球形的氧化鋁上包含了緊密排布的鈣鈦礦光敏納米傳感器，模仿人眼的視網(wǎng)膜（鈣鈦礦是一種頗具潛力的太陽能電池材料）。同時，他們還使用由液態(tài)金屬制成的傳導(dǎo)線將人工視網(wǎng)膜上的光血信號傳導(dǎo)出來。

　　由于納米傳感器直接被集成在曲面上，這讓它們可以實(shí)現(xiàn)更緊密的排列。得益于此，人工視網(wǎng)膜上的納米傳感器密度高達(dá) 4.6×10^8cm^2，遠(yuǎn)高于人類視網(wǎng)膜上感光細(xì)胞的密度（約 10^7cm^2）。

　　隨后，范智勇教授開始用這種人造視網(wǎng)膜組裝仿生眼，并進(jìn)行測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種人造視網(wǎng)膜在某些指標(biāo)上與人眼類似或比人眼更強(qiáng)大。

　　例如，對光的敏感度，從每平方厘米 0.3 微瓦到 50 毫瓦，這種人造視網(wǎng)膜都可以感受到；同時在最低的光強(qiáng)度下，人造視網(wǎng)膜的每個納米傳感器可以檢測到 86 個光子，與人類的視網(wǎng)膜相當(dāng)。

　　不僅如此，這種人工視網(wǎng)膜對于可見光譜內(nèi)所有頻率光都敏感，同時它在接受光刺激后的短短 19.2 毫秒內(nèi)作出響應(yīng)，然后在 23，9 毫秒內(nèi)恢復(fù)無效狀態(tài)，比人眼視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞 40-150 毫秒的響應(yīng)和恢復(fù)時間要短許多。

　　而最令人印象深刻的是，由于人工視網(wǎng)膜中集成了大量的納米傳感器，這種視網(wǎng)膜理論上可以實(shí)現(xiàn)超過人眼的高分辨率成像。

　　幾十年來的重要突破

　　雖然，范智勇教授的人工視網(wǎng)膜對于提升仿生眼的整體性能是一個很大的突破。但是，要將這種人工視網(wǎng)膜應(yīng)用于市場，還需要解決一些問題。首先，目前這種納米光電傳感器的像素只有 100，這也意味著，這種傳感器的光檢測區(qū)域只有 2mm。

　　同時，這種人工視網(wǎng)膜的制造成本較高，因?yàn)橐苯又谱髑嫒斯ひ暰W(wǎng)膜，因此在往基板上打孔集成納米傳感器的時候需要用到聚焦離子束蝕刻等昂貴加工手段，所以并不適合大規(guī)模使用。

　　其次，為了提高人工視網(wǎng)膜的分辨率，還需要減少液體金屬線的尺寸。目前這種液態(tài)金屬信號傳導(dǎo)線的直徑約為 700 微米，因此只能實(shí)現(xiàn)每 3-4 個傳感器連接一根液態(tài)金屬導(dǎo)線，而理想狀態(tài)下液態(tài)金屬導(dǎo)線的直徑應(yīng)該與納米線的直徑（約幾微米）相當(dāng)，從而實(shí)現(xiàn)每個傳感器連接一根導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。而減少液態(tài)金屬線的直徑是目前這項(xiàng)工作面臨的最大挑戰(zhàn)。

　　最后，這種人工視網(wǎng)膜的壽命還需要更多的測試。雖然，在研究過程中，這種人工視網(wǎng)膜運(yùn)行 9 小時后性能并沒有明顯變化。但是，由于電化學(xué)設(shè)備的性能都是會隨著時間的流逝而降低的，因此，有必要確定其有效期的壽命。

　　不過即使有一些不完美，但無可否認(rèn)這是仿生眼研發(fā)的重大進(jìn)步。正如來自美國威廉康興大學(xué)的學(xué)者 Hongrui Jiang 所說的那樣，“仿生眼不是模仿照相機(jī)，而是模仿人類復(fù)雜的眼球結(jié)構(gòu)和人機(jī)交互。范智勇教授的人工視網(wǎng)膜是過去幾十年來，仿生眼開發(fā)的重要突破。有了這些進(jìn)步，我相信，未來 10 年我們可能會親眼見著仿生眼在我們生活中的大規(guī)模應(yīng)用。”

　　參考資料：

　　https://nature.com/articles/s41586-020-2285-x

　　https://www.nature.com/articles/d41586-020-01420-7

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《Nature》：港科大开发高密度人工视网膜，媲美人类视网膜的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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