多項性能超越人眼!仿生眼領域重大突破登上 Nature

雷鋒網 於 23/05/2020 發表 收藏文章
能幫助視覺受損者重見光明的技術,除了角膜移植、腦電技術、還有仿生眼。

2015 年,美國明尼蘇達州一位名為 Allen Zderad 的 68 歲男子在失明 10 年之後,憑藉一雙“仿生眼”重見光明。

不得不説,仿生眼給了我們希望,但也依然比較遙遠——其中的一個難點就在於眼鏡的球形結構和視網膜

而近日,來自香港科技大學電子及計算機工程學系範智勇團隊、加州大學伯克利分校電氣工程與計算機科學系和美國勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部的一組研究人員就視網膜問題提出了最新的方案。

2020 年 5 月 20 日,該團隊題為 A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina(具有半球形鈣鈦礦納米線陣列視網膜的仿生眼)的論文在線發表於《自然》(Nature)雜誌。

具有半球形視網膜的電化學眼

相比相機中的平面圖像傳感器,人眼具有天然的巧妙光學佈局:球形的視網膜減少了從晶狀體通過的光線,因此突出了焦點。


具有特殊的圖像感知特性,如視野寬、分辨率高、像差低、靈敏度高。然而要想研發出滿足上述特性的仿生眼談何容易。

而該研究團隊的方案是,設計一種由高密度(密度高達 4.6×10-8  cm–2,遠高於人眼視網膜中的感光器密度 10-7 cm–2)納米線陣列組成的、具有半球形視網膜的電化學眼 EC-EYE(EyeroChemical EYE),旨在模仿人眼視網膜上的光感受器。


具體的結構、運作方式如下:

如上圖所示,晶狀體(Lens)固定在仿生眼的小孔上,仿生眼由前側的金屬殼(Aluminium shell)、後側的人造視網膜(Retina)和中間的離子液體(lonic liquid)組成。

而這項研究最主要的突破是後側的半球形視網膜,從上圖可以清晰地看到密集排列的光敏納米線(Nanowire,模擬人眼視網膜中的感光細胞)被固定在氧化鋁膜(Aluminium shell)的孔中。 聚合物插座(Socket)用於固定視網膜,確保納米線和背面的液態金屬線(Liquid-metal Wire)之間的電接觸。而液態金屬線通過將信號從納米線傳輸到用於信號處理的外部電路來模擬神經纖維。

仿生眼領域的一次顯著突破

那麼基於這樣的設計,其效果如何呢?


【該設計的藝術化形象】

在論文中,通過重建投射到設備上的光學圖案,研究團隊演示了仿生眼的圖像感測功能,從而發現,這一仿生眼相比此前的一些設計可以説是脱穎而出,主要在於以下一些方面:

  1. 與人眼在構造方面具有高度的相似性,視野可達到 100 °,相比之下,靜態人眼的垂直視野約為 130 °。
  2. 人造視網膜可檢測的光線強度區間為每立方厘米 0.3 微瓦到每平方釐米 50 毫瓦,跨度較大。
  3. 在最低強度下,人造視網膜中的每條納米線平均每秒可檢測到 86 個光子,與人眼視網膜中光感受器的靈敏度相當。

    雷鋒網(公眾號:雷鋒網)了解到,這一特性主要在於製造納米線所用到的鈣鈦礦材料。

    實際上,鈣鈦礦化合物在製造各種光電和光子應用方面極具潛力。特別的是,該研究團隊使用的鈣鈦礦是碘化甲脒鉛,而選擇它的理由就在於其優異的光電性能和良好的穩定性。
  4. 當納米線陣列受有規則的快速光脈衝刺激時,可在 19.2 毫秒內快速對脈衝進行響應,從而產生電流,並可在脈衝結束時最快用 23.9 毫秒的時間來恢復(即回到其非活動狀態)。

    據了解,為判斷仿生眼能夠多快地響應光信號,響應和恢復時間是一組重要的參數。實際上,人眼視網膜中光感受器的響應和恢復時間在 40-150 毫秒的區間內。
  5. 該設計有望比人眼的分辨率更高,因為納米線密度可以提高到人眼光感受器的 10 倍以上。

與此同時,這一仿生眼也面臨着一些挑戰:

  1. 光電傳感器陣列僅有 10 × 10 個像素,像素間有約 200 µm 的間隙,這意味着光檢測區只有大約 2mm 寬。此外,製造工藝中的一些步驟成本高,且不適合量產。
  2. 為提高視網膜的分辨率性能,需減小液態金屬線的尺寸。目前其外徑約 700 µm,但理想情況下應與納米線直徑(大約在幾微米左右)相當。
  3. 人工視網膜的使用壽命還需進一步測試。研究團隊表示,在 9 個小時的操作之後,其性能無明顯降低,但其它電化學裝置的性能可能會出現劣化的態勢。
  4. 離子液體濃度較高時,響應和恢復時間將受到影響,因此需要進一步優化。

但客觀來講,這一設計已經是過去幾十年以來仿生眼領域的一次顯著突破了。

雷鋒網注意到,其突破不僅在於這一仿生眼模仿了人眼,也是通過模仿對類似昆蟲的複眼等結構來實現的。

而基於這項研究所取得的進展,仿生光敏器件可實現進一步的優化,未來十年內將仿生眼應用於消費類電子產品、機器人等廣泛的場景也可以説是指日可待了。

正如論文合著者之一範志勇教授所説:

引用我們希望在生物相容性、穩定性等方面進一步改善。我認為,如果一切都按計劃進行的話,那麼該技術有可能在 5 年內落地應用。

關於作者



正如上文所述,香港科技大學電子及計算機工程學系範智勇團隊參與了此項研究。


根據香港科技大學官網,範智勇教授團隊迄今已在頂級期刊上發表了 170 多篇研究論文,引用次數達 18,000 次。

範智勇教授分別於 1998 年和 2001 年在復旦大學獲得物理電子學學士、碩士學位,於 2006 年獲得加州大學歐文分校材料科學博士學位。
2007-2010 年,範智勇教授在加州大學伯克利分校電氣工程與計算機科學系與美國勞倫斯伯克利國家實驗室擔任博士後研究員。

2010 年 5 月,範智勇教授加入香港科技大學,任電子及計算機工程學系副教授。

此外,他還是自然出版集團開放獲取期刊《科學報告》編輯委員會成員和施普林格《納米研究快訊》副主編。範智勇教授同時也擔任《自然材料》、《自然納米技術》、《自然通訊》、《納米通訊》、《ACS 納米》、《先進材料》、《能源與環境科學》、《應用化學》、《ieee edl》等雜誌的審稿人。


引用來源:

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

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2285-x

[3]https://seng.ust.hk/news/20200521/prof-fan-zhiyong-leads-his-team-publish-sci-fi-inspired-super-human-eye-research

雷鋒網

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資料來源:雷鋒網
作者/編輯:付靜

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