Nature：首個完全復現(xiàn)人眼的仿生眼問世，港科大造出半球形人工視網(wǎng)膜，感光性能超過人眼460倍

賈浩楠 2020-05-26 15:26:57 來源：量子位

賈浩楠 發(fā)自 凹非寺
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「科學為人類帶來光明」，這句話已經(jīng)不再是一個比喻了。

5月20日，Nature發(fā)布了一項香港科技大學和UC伯克利的聯(lián)合研究成果：采用仿生半球形視網(wǎng)膜結構的電子仿生眼EC-EYE。

EC-EYE的外觀和內(nèi)部都和人眼高度相似，同樣具有透鏡（晶狀體）、離子液（玻璃體）、感光陣列（視網(wǎng)膜）、導線（視神經(jīng)）等關鍵結構。

半球型人工視網(wǎng)膜是一個巨大的突破，在此之前，仿生眼研究只局限在模擬相機原理的平面成像，但其效果遠不如人類本身的半球形視網(wǎng)膜。

Nature評價這項成果：「突破了以往模仿相機或昆蟲復眼的類似研究，在醫(yī)學和其他領域真正實現(xiàn)了可行性」，也許在未來的十幾年這項技術就可以走進人們?nèi)粘Ｉ钪小?/p>

EC-EYE整體結構

EC-EYE與人類的眼球結構毫無二致，由透鏡（晶狀體）、離子液（玻璃體）、感光陣列（視網(wǎng)膜）、導線（視神經(jīng)）組成。

鏡片與人工虹膜（光圈）結合在前部。后面的人工視網(wǎng)膜與前面的半球形外殼結合在一起，形成一個球形腔體（即 “眼球”）。

前半球形外殼由內(nèi)襯鎢絲的鋁膜制成。腔內(nèi)充滿了一種模擬玻璃體的離子液體，這種液體是填充透鏡和視網(wǎng)膜之間的凝膠體。被用作視網(wǎng)膜上納米光敏器的前端公共觸點。

由液態(tài)金屬（共晶鎵-銦合金）制成細而有彈性的導線，密封在軟橡膠管中，將納米線光敏器的信號傳輸?shù)酵獠侩娐愤M行信號處理，模仿連接人眼和大腦的神經(jīng)纖維。

在液態(tài)金屬線和納米線之間有一層銦，可以優(yōu)化兩者之間的電接觸。

人工視網(wǎng)膜由一個由硅聚合物制成的基座固定，以確保導線和納米光敏點之間的正確對位。

EC-EYE和人眼之間的整體結構相似性使得它擁有100°的寬廣視野。相比之下，靜態(tài)人眼的垂直視場大約為130°。

關鍵創(chuàng)新：人工半球形視網(wǎng)膜

人類的球形視網(wǎng)膜結構自然地減少了穿過晶狀體的光的散射，從而使焦距更加清晰。

這種結構還可以直接補償來自于彎曲焦平面的像差，降低光學系統(tǒng)的復雜性。這是相機的平面成像結構無法比擬的優(yōu)勢。

模仿人類的眼睛對人工視覺系統(tǒng)十分重要。特別是對于類人機器人來說，其視覺系統(tǒng)除了具有優(yōu)越的設備特性外，還應該與人的外觀相似，以實現(xiàn)人機友好互動。

而科研人員一直無法找到合適的材料來模擬這種結構。

目前商業(yè)化的電荷耦合器件(CCD)和互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器，主要采用主流的平面微細加工工藝，成品只能是平面結構。

而EC-EYE的關鍵創(chuàng)新在于采用了高密度的納米感光材料陣列。

這種納米感光材料使用甲脒碘化鉛雜化的鈣鈦礦（formamidinium lead iodide perovskite）制成。

鈣鈦礦材料最引人注目的特性其神奇的光電性質。有機-無機雜化鈣鈦礦材料具有很高的消光系數(shù)、長載流子壽命，比較高而且均衡的載流子遷移率、低缺陷濃度、淺缺陷能級、高熒光量子產(chǎn)率、低激子束縛能等優(yōu)點，非常適合用于各種光電器件。

△圖d為人工視網(wǎng)膜主體，e為鑲嵌其中的納米材料感光點，f為甲脒碘化鉛雜化鈣鈦礦單晶結構。

EC-EYE人工視網(wǎng)膜的納米感光點密度為 4.6?×?108?cm-2，遠高于人類視網(wǎng)膜感光密度（約為107cm-2），因此可以實現(xiàn)更高的圖像分辨率。

EC-EYE的仿生視網(wǎng)膜光敏感度范圍為每平方厘米0.3微瓦-50毫瓦。最低的光強度下，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。且對可見光譜內(nèi)所有頻率的光都敏感。

接受光刺激后的短短19.2毫秒內(nèi)作出響應，然后在23.9毫秒內(nèi)恢復到未激活狀態(tài)，這比人眼視網(wǎng)膜中感光細胞 40-150毫秒的響應和恢復時間短得得多。

成像裝置

液態(tài)金屬線通過電路板連接到由計算機控制的100×1復用器。

測量系統(tǒng)的設計圖及相應的電路圖下所示。

測試步驟：通過將光學圖案投射到EC-EYE上，對圖像傳感功能進行檢測，并記錄各傳感器像素的光電流。

下圖顯示了被成像的字符’A’及其在平面上的投影。

與基于橫結構的平面圖像傳感器相比，EC-EYE成像具有更高的對比度和更清晰的邊緣。

因為每個獨立的像素與相鄰的像素分界更明顯。

此外裝置還包括一個小的電化學圖像傳感器與磁微針接觸，與其他光學部件一起組裝成一個微型攝像機。磁微針對準技術也很好地適用于整個半球形表面。

目前這種納米感光陣列只有10×10個像素點，像素點之間存在200微米間隙，這意味著，這種傳感器的光檢測區(qū)域只有 2mm。

減少液態(tài)金屬線的直徑是目前這項工作面臨的最大挑戰(zhàn)。

目前這種液態(tài)金屬信號傳導線的直徑約為 700 微米，因此只能實現(xiàn)每 3-4 個傳感器連接一根液態(tài)金屬導線。

而理想狀態(tài)下液態(tài)金屬導線的直徑應該與納米線的直徑（約幾微米）相當，這樣才能實現(xiàn)每個傳感器連接一根導線，達到更高的分辨率。

此外，由于電化學設備的性能會隨著時間的流逝而下降，所以這種人工視網(wǎng)膜的壽命還需要更多的測試。

不過即使有一些不完美，但無可否認這是仿生眼研發(fā)的重大進步。

Nature指出，仿生眼不是模仿照相機，而是模仿人類復雜的眼球結構和人機交互。這項研究所取得的進步，使人們相信，未來 10 年能親眼見到仿生眼在生活中的大規(guī)模應用。

論文地址

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