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港科大学首创半球形人造视网膜 突破了以往模仿相机或昆虫复眼的类似研究

2020-05-27 17:16:42来源：量子位  

「科学为人类带来光明」，这句话已经不再是一个比喻了。

5月20日，Nature发布了一项香港科技大学和UC伯克利的联合研究成果：采用仿生半球形视网膜结构的电子仿生眼EC-EYE。

EC-EYE的外观和内部都和人眼高度相似，同样具有透镜(晶状体)、离子液(玻璃体)、感光阵列(视网膜)、导线(视神经)等关键结构。半球型人工视网膜是一个巨大的突破，在此之前，仿生眼研究只局限在模拟相机原理的平面成像，但其效果远不如人类本身的半球形视网膜。

Nature评价这项成果：「突破了以往模仿相机或昆虫复眼的类似研究，在医学和其他领域真正实现了可行性」，也许在未来的十几年这项技术就可以走进人们日常生活中。

EC-EYE整体结构

EC-EYE与人类的眼球结构毫无二致，由透镜(晶状体)、离子液(玻璃体)、感光阵列(视网膜)、导线(视神经)组成。镜片与人工虹膜(光圈)结合在前部。后面的人工视网膜与前面的半球形外壳结合在一起，形成一个球形腔体(即 “眼球”)。

前半球形外壳由内衬钨丝的铝膜制成。腔内充满了一种模拟玻璃体的离子液体，这种液体是填充透镜和视网膜之间的凝胶体。被用作视网膜上纳米光敏器的前端公共触点。由液态金属(共晶镓-铟合金)制成细而有弹性的导线，密封在软橡胶管中，将纳米线光敏器的信号传输到外部电路进行信号处理，模仿连接人眼和大脑的神经纤维。

在液态金属线和纳米线之间有一层铟，可以优化两者之间的电接触。

人工视网膜由一个由硅聚合物制成的基座固定，以确保导线和纳米光敏点之间的正确对位。EC-EYE和人眼之间的整体结构相似性使得它拥有100°的宽广视野。相比之下，静态人眼的垂直视场大约为130°。

关键创新：人工半球形视网膜

人类的球形视网膜结构自然地减少了穿过晶状体的光的散射，从而使焦距更加清晰。

这种结构还可以直接补偿来自于弯曲焦平面的像差，降低光学系统的复杂性。这是相机的平面成像结构无法比拟的优势。

模仿人类的眼睛对人工视觉系统十分重要。特别是对于类人机器人来说，其视觉系统除了具有优越的设备特性外，还应该与人的外观相似，以实现人机友好互动。

而科研人员一直无法找到合适的材料来模拟这种结构。

目前商业化的电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器，主要采用主流的平面微细加工工艺，成品只能是平面结构。

而EC-EYE的关键创新在于采用了高密度的纳米感光材料阵列。

这种纳米感光材料使用甲脒碘化铅杂化的钙钛矿(formamidinium lead iodide perovskite)制成。

钙钛矿材料最引人注目的特性其神奇的光电性质。有机-无机杂化钙钛矿材料具有很高的消光系数、长载流子寿命，比较高而且均衡的载流子迁移率、低缺陷浓度、浅缺陷能级、高荧光量子产率、低激子束缚能等优点，非常适合用于各种光电器件。

△图d为人工视网膜主体，e为镶嵌其中的纳米材料感光点，f为甲脒碘化铅杂化钙钛矿单晶结构。

EC-EYE人工视网膜的纳米感光点密度为 4.6 × 108 cm-2，远高于人类视网膜感光密度(约为107cm-2)，因此可以实现更高的图像分辨率。

EC-EYE的仿生视网膜光敏感度范围为每平方厘米0.3微瓦-50毫瓦。最低的光强度下，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。且对可见光谱内所有频率的光都敏感。

接受光刺激后的短短19.2毫秒内作出响应，然后在23.9毫秒内恢复到未激活状态，这比人眼视网膜中感光细胞 40-150毫秒的响应和恢复时间短得得多。

成像装置

液态金属线通过电路板连接到由计算机控制的100×1复用器。测试步骤：通过将光学图案投射到EC-EYE上，对图像传感功能进行检测，并记录各传感器像素的光电流。

下图显示了被成像的字符’A’及其在平面上的投影。与基于横结构的平面图像传感器相比，EC-EYE成像具有更高的对比度和更清晰的边缘。

因为每个独立的像素与相邻的像素分界更明显。

此外装置还包括一个小的电化学图像传感器与磁微针接触，与其他光学部件一起组装成一个微型摄像机。磁微针对准技术也很好地适用于整个半球形表面。

目前这种纳米感光阵列只有10×10个像素点，像素点之间存在200微米间隙，这意味着，这种传感器的光检测区域只有 2mm。减少液态金属线的直径是目前这项工作面临的最大挑战。

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，这样才能实现每个传感器连接一根导线，达到更高的分辨率。

此外，由于电化学设备的性能会随着时间的流逝而下降，所以这种人工视网膜的寿命还需要更多的测试。

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。

Nature指出，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。这项研究所取得的进步，使人们相信，未来 10 年能亲眼见到仿生眼在生活中的大规模应用。

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