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能幫助視覺受損者重見光明的技術(shù)，除了角膜移植、腦電技術(shù)、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 年之后，憑借一雙“仿生眼”重見光明。
不得不說，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于眼鏡的球形結(jié)構(gòu)和視網(wǎng)膜。
而近日，來自香港科技大學(xué)電子及計算機工程學(xué)系范智勇團隊、加州大學(xué)伯克利分校電氣工程與計算機科學(xué)系和美國勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學(xué)部的一組研究人員就視網(wǎng)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(wǎng)膜的仿生眼）的論文在線發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。
相比相機中的平面圖像傳感器，人眼具有天然的巧妙光學(xué)布局：球形的視網(wǎng)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(fā)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(shè)計一種由高密度（密度高達 4.6×10-8 ?cm–2，遠高于人眼視網(wǎng)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(wǎng)膜的電化學(xué)眼 EC-EYE（EyeroChemical EYE），旨在模仿人眼視網(wǎng)膜上的光感受器。
具體的結(jié)構(gòu)、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(cè)的金屬殼（Aluminium shell）、后側(cè)的人造視網(wǎng)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后側(cè)的半球形視網(wǎng)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(wǎng)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）用于固定視網(wǎng)膜，確保納米線和背面的液態(tài)金屬線（Liquid-metal Wire）之間的電接觸。而液態(tài)金屬線通過將信號從納米線傳輸?shù)接糜谛盘柼幚淼耐獠侩娐穪砟M神經(jīng)纖維。
那么基于這樣的設(shè)計，其效果如何呢？
【該設(shè)計的藝術(shù)化形象】
在論文中，通過重建投射到設(shè)備上的光學(xué)圖案，研究團隊演示了仿生眼的圖像感測功能，從而發(fā)現(xiàn)，這一仿生眼相比此前的一些設(shè)計可以說是脫穎而出，主要在于以下一些方面：
與人眼在構(gòu)造方面具有高度的相似性，視野可達到 100 °，相比之下，靜態(tài)人眼的垂直視野約為 130 °。
人造視網(wǎng)膜可檢測的光線強度區(qū)間為每立方厘米 0.3 微瓦到每平方厘米 50 毫瓦，跨度較大。
在最低強度下，人造視網(wǎng)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(wǎng)膜中光感受器的靈敏度相當(dāng)。
雷鋒網(wǎng)了解到，這一特性主要在于制造納米線所用到的鈣鈦礦材料。
實際上，鈣鈦礦化合物在制造各種光電和光子應(yīng)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于其優(yōu)異的光電性能和良好的穩(wěn)定性。
當(dāng)納米線陣列受有規(guī)則的快速光脈沖刺激時，可在 19.2 毫秒內(nèi)快速對脈沖進行響應(yīng)，從而產(chǎn)生電流，并可在脈沖結(jié)束時最快用 23.9 毫秒的時間來恢復(fù)（即回到其非活動狀態(tài)）。
據(jù)了解，為判斷仿生眼能夠多快地響應(yīng)光信號，響應(yīng)和恢復(fù)時間是一組重要的參數(shù)。實際上，人眼視網(wǎng)膜中光感受器的響應(yīng)和恢復(fù)時間在 40-150 毫秒的區(qū)間內(nèi)。
該設(shè)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，這一仿生眼也面臨著一些挑戰(zhàn)：
光電傳感器陣列僅有 10 × 10 個像素，像素間有約 200 μm 的間隙，這意味著光檢測區(qū)只有大約 2mm 寬。此外，制造工藝中的一些步驟成本高，且不適合量產(chǎn)。
為提高視網(wǎng)膜的分辨率性能，需減小液態(tài)金屬線的尺寸。目前其外徑約 700 μm，但理想情況下應(yīng)與納米線直徑（大約在幾微米左右）相當(dāng)。
人工視網(wǎng)膜的使用壽命還需進一步測試。研究團隊表示，在 9 個小時的操作之后，其性能無明顯降低，但其它電化學(xué)裝置的性能可能會出現(xiàn)劣化的態(tài)勢。
離子液體濃度較高時，響應(yīng)和恢復(fù)時間將受到影響，因此需要進一步優(yōu)化。
但客觀來講，這一設(shè)計已經(jīng)是過去幾十年以來仿生眼領(lǐng)域的一次顯著突破了。
雷鋒網(wǎng)注意到，其突破不僅在于這一仿生眼模仿了人眼，也是通過模仿對類似昆蟲的復(fù)眼等結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。
而基于這項研究所取得的進展，仿生光敏器件可實現(xiàn)進一步的優(yōu)化，未來十年內(nèi)將仿生眼應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品、機器人等廣泛的場景也可以說是指日可待了。
正如論文合著者之一范志勇教授所說：
我們希望在生物相容性、穩(wěn)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，那么該技術(shù)有可能在 5 年內(nèi)落地應(yīng)用。
正如上文所述，香港科技大學(xué)電子及計算機工程學(xué)系范智勇團隊參與了此項研究。
根據(jù)香港科技大學(xué)官網(wǎng)，范智勇教授團隊迄今已在頂級期刊上發(fā)表了 170 多篇研究論文，引用次數(shù)達 18,000 次。
范智勇教授分別于 1998 年和 2001 年在復(fù)旦大學(xué)獲得物理電子學(xué)學(xué)士、碩士學(xué)位，于 2006 年獲得加州大學(xué)歐文分校材料科學(xué)博士學(xué)位。
2007-2010 年，范智勇教授在加州大學(xué)伯克利分校電氣工程與計算機科學(xué)系與美國勞倫斯伯克利國家實驗室擔(dān)任博士后研究員。
2010 年 5 月，范智勇教授加入香港科技大學(xué)，任電子及計算機工程學(xué)系副教授。
此外，他還是自然出版集團開放獲取期刊《科學(xué)報告》編輯委員會成員和施普林格《納米研究快訊》副主編。范智勇教授同時也擔(dān)任《自然材料》、《自然納米技術(shù)》、《自然通訊》、《納米通訊》、《ACS 納米》、《先進材料》、《能源與環(huán)境科學(xué)》、《應(yīng)用化學(xué)》、《ieee edl》等雜志的審稿人。
引用來源：
[1]https://www.nature.com/articles/d41586-020-01420-7
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-020-2285-x
雷鋒網(wǎng)
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