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科幻人造眼成现实!港科大开发高密度人工视网膜,比人眼更强大
发布时间:2020-05-22 10:21 来源:学术头条

在科幻小说或电影中经常会出现这样的情节,通过人造眼睛的机器人可以精准识别打击目标,完成人类无法完成的任务,或通过人造眼睛恢复盲人的视力。事实上,这种画面不仅出现在科幻小说中,在现实中,许多科学家也都在致力于仿生眼的研发,不过如何制造适合人类的仿生眼,尤其是人造视网膜的研发严重限制了仿生眼的发展。

而在本周《自然》发表的一篇论文中,由香港科技大学范智勇教授带领的团队,成功开发了一种可以媲美人类视网膜的人工视网膜,由该视网膜组成的仿生眼在某些情况下甚至比人眼看的更清楚。

高密度人工视网膜

对于地球上的绝大部分生物来说,眼睛都是最重要的传感器官,尤其是人类,大约 80% 的环境信息都是通过眼睛获取。

人眼具有视场宽、分辨率高以及对光高度敏感的特点,这一切都源于半球形的视网膜和大量的视细胞——每平方厘米约 1000 万个。模仿这些特点来创造人工仿生眼是机器人领域的一个焦点,对于开发视觉假体装置具有重要意义。但是,视网膜的形状和构成使人工视网膜的制造颇具挑战性。

而要想媲美人眼的功能,理论上,仿生眼的各种结构都要和人眼类似,尤其是半球形视网膜。在人眼中,这种半球形的结构可以有效补偿成像差异,从而降低成像的复杂性。因此,要想开发优秀的仿生眼,必须先要有优秀的人工视网膜。

而此前,用作仿生眼的人工视网膜,商用电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体图像传感器,主要通过主流平面微加工工艺成型,很难做成人类生物视网膜那样的半球形。

即使此前有研究者,先将光电传感器集成于平面刚性基板上,然后将其弯曲成类似人眼的曲面,但是因为需要预留折叠所需的空间,因此这限制了基板上纳米传感器的密度,无法实现较高的分辨率。

为了制造高分辨率人工视网膜,范智勇教授及同事展示了一种新设计:一种半球形的氧化铝上包含了紧密排布的钙钛矿光敏纳米传感器,模仿人眼的视网膜(钙钛矿是一种颇具潜力的太阳能电池材料)。同时,他们还使用由液态金属制成的传导线将人工视网膜上的光血信号传导出来。

由于纳米传感器直接被集成在曲面上,这让它们可以实现更紧密的排列。得益于此,人工视网膜上的纳米传感器密度高达 4.6×10^8cm^2,远高于人类视网膜上感光细胞的密度(约 10^7cm^2)。

随后,范智勇教授开始用这种人造视网膜组装仿生眼,并进行测试。结果发现,这种人造视网膜在某些指标上与人眼类似或比人眼更强大。

例如,对光的敏感度,从每平方厘米 0.3 微瓦到 50 毫瓦,这种人造视网膜都可以感受到;同时在最低的光强度下,人造视网膜的每个纳米传感器可以检测到 86 个光子,与人类的视网膜相当。

不仅如此,这种人工视网膜对于可见光谱内所有频率光都敏感,同时它在接受光刺激后的短短 19.2 毫秒内作出响应,然后在 23,9 毫秒内恢复无效状态,比人眼视网膜中感光细胞 40-150 毫秒的响应和恢复时间要短许多。

而最令人印象深刻的是,由于人工视网膜中集成了大量的纳米传感器,这种视网膜理论上可以实现超过人眼的高分辨率成像。

几十年来的重要突破

虽然,范智勇教授的人工视网膜对于提升仿生眼的整体性能是一个很大的突破。但是,要将这种人工视网膜应用于市场,还需要解决一些问题。首先,目前这种纳米光电传感器的像素只有 100,这也意味着,这种传感器的光检测区域只有 2mm。

同时,这种人工视网膜的制造成本较高,因为要直接制作曲面人工视网膜,因此在往基板上打孔集成纳米传感器的时候需要用到聚焦离子束蚀刻等昂贵加工手段,所以并不适合大规模使用。

其次,为了提高人工视网膜的分辨率,还需要减少液体金属线的尺寸。目前这种液态金属信号传导线的直径约为 700 微米,因此只能实现每 3-4 个传感器连接一根液态金属导线,而理想状态下液态金属导线的直径应该与纳米线的直径(约几微米)相当,从而实现每个传感器连接一根导线,实现更高的分辨率。而减少液态金属线的直径是目前这项工作面临的最大挑战。

最后,这种人工视网膜的寿命还需要更多的测试。虽然,在研究过程中,这种人工视网膜运行 9 小时后性能并没有明显变化。但是,由于电化学设备的性能都是会随着时间的流逝而降低的,因此,有必要确定其有效期的寿命。

不过即使有一些不完美,但无可否认这是仿生眼研发的重大进步。正如来自美国威廉康兴大学的学者 Hongrui Jiang 所说的那样,“仿生眼不是模仿照相机,而是模仿人类复杂的眼球结构和人机交互。范智勇教授的人工视网膜是过去几十年来,仿生眼开发的重要突破。有了这些进步,我相信,未来 10 年我们可能会亲眼见着仿生眼在我们生活中的大规模应用。”

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