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機器之心報道

參與：澤南、魔王、杜偉

「人造眼」把大量納米級光傳感器整合到半球形視網(wǎng)膜狀組件中，這套設(shè)備的一些能力已經(jīng)與生物眼相當(dāng)了。科學(xué)家們還表示，理論上這種設(shè)計可實現(xiàn)比人眼更高的分辨率。

很多科幻小說中經(jīng)常會出現(xiàn)使用仿生眼球的機器人，或者直連大腦、讓盲人重獲視力的人造眼。為了開發(fā)這樣的設(shè)備，科學(xué)家多年來做出了很多努力，但是制造球形的人類眼球——特別是半球形視網(wǎng)膜，一直是技術(shù)上難以實現(xiàn)的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重阻礙了人造眼實現(xiàn)的進程。

在今天剛剛出版的《自然》雜志上，香港科技大學(xué)顧磊磊（Leilei Gu）、范智勇等人在論文《A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina》中提出了一種創(chuàng)新的凹半球「視網(wǎng)膜」，迅速引來了多家媒體的報道。

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

這種視網(wǎng)膜由模仿人類視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞的納米級光電傳感器陣列組成。研究者使用基于這套設(shè)備的電化學(xué)人造眼，在多項測試中與人眼進行對比，發(fā)現(xiàn)「人造眼」已具有獲取圖像圖案的基本能力。

人眼帶有半球形視網(wǎng)膜，與普通攝像頭的平面感光元件相比顯然更加精巧：視網(wǎng)膜的圓頂天然趨向于光線集中，讓穿過人眼晶體的光線焦點清晰。這種自然演化出來的結(jié)構(gòu)具有視場寬、分辨率高、對光高度敏感的特點，而在半球形視網(wǎng)膜上還分布著大量視細(xì)胞——每平方厘米約有 1000 萬個。

顧磊磊等人的仿生電化學(xué)眼的核心組件是用作視網(wǎng)膜的高密度光電傳感器陣列。光電傳感器直接部署在由氧化鋁（Al2O3）制成的半球形膜上。

圖 1：仿生人造眼。

用液態(tài)金屬（共晶鎵-銦合金）做成的纖細(xì)靈活的線被封進軟橡膠管里，這些線將信號從納米線光傳感器傳輸?shù)酵獠侩娐?，以進行信號處理。這些線模擬連接人眼和大腦的神經(jīng)纖維。液態(tài)金屬線和納米線之間的銦層可以改善兩者之間的電接觸。將人造視網(wǎng)膜放進由硅聚合物做成的眼窩中，確保金屬線和納米線之間完美對齊。

結(jié)合了人工虹膜的晶狀體被放置在該設(shè)備的前端，就像人眼一樣。背側(cè)的視網(wǎng)膜和前端的半球形殼體結(jié)合起來，形成球形電離室（即「眼球」），前側(cè)的半球形殼體由鋁和鎢膜制成。電離室內(nèi)充滿離子液，用以模仿玻璃體，即填充人眼中晶狀體和視網(wǎng)膜之間空間的膠狀物質(zhì)。

這種布局對于納米線的電化學(xué)操作而言是必要的。人造眼和人眼的整體結(jié)構(gòu)相似性使得顧磊磊等人的設(shè)備具備 100° 的寬視場，靜態(tài)人眼的垂直視場大約為 130°。

第一版「人造眼」又被稱為 EC-EYE，它的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)是這樣的：

看起來已經(jīng)很符合人類眼球的畫風(fēng)了。

顧磊磊及其同事制作的人造眼在結(jié)構(gòu)擬態(tài)方面令人驚艷，但真正令其與眾不同的是，它的很多感官能力能與人眼媲美。例如，人造視網(wǎng)膜可以檢測較大范圍的光強度，從每平方厘米 0.3 微瓦特到 50 毫瓦特不等。在最低光強度下，人造視網(wǎng)膜中的每條納米線平均每秒檢測到 86 光子，這與人眼視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞的敏感度持平。這種敏感度來自用于制造納米線的鈣鈦礦材料。鈣鈦礦化合物材料有潛力用于多種光電子和光子應(yīng)用。顧磊磊等人使用的鈣鈦礦材料是甲脒鉛碘化物，具備出色的光電屬性和穩(wěn)定性。

在人造眼中，一個像素是如何生成的。

納米線對于可見光譜的所有頻率具備幾乎一致的靈敏度（靈敏度用于度量每瓦特入射光生成的電流）。此外，納米線陣列受到常規(guī)快速光脈沖的刺激后，會在 19.2 毫秒內(nèi)做出響應(yīng)生成電流——是人眼反應(yīng)時間的一半，然后在脈沖結(jié)束后僅需要 23.9 毫秒即可恢復(fù)（至未激活狀態(tài)）。響應(yīng)和恢復(fù)時間是重要的參數(shù)，因為這兩者最終決定了人造眼對光信號的響應(yīng)速度。相比而言，人眼視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞的響應(yīng)和恢復(fù)時間在 40 至 150 毫秒。

從某些角度來看，人造眼可以改善人類的視覺：它可以接收更大范圍波長的光，而且因為不是自然進化出來的，自然也不存在所有脊椎動物都有的 bug，視覺盲點。

人類視覺系統(tǒng)和EC-EYE圖像視覺系統(tǒng)的比較。

顧磊磊等人制造的人造視網(wǎng)膜最令人驚艷之處或許是成像的高分辨率，這受益于納米線陣列的高密度。在之前的人造視網(wǎng)膜中，光感受器最初安裝在平面的剛性基底上，然后把它們遷移到曲面支撐面，或者把基底轉(zhuǎn)換為曲面。由于必須留足空間方便遷移或基底轉(zhuǎn)換，因此成像裝置的密度受到了限制。

而顧磊磊等人的設(shè)備使用的納米線是在曲面上直接形成的，這使得它們可以更緊密地封裝在一起。的確，納米線的密度高達 4.6×108cm–2，這要比人類視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞的密度大得多（約為 107 cm–2）。每根納米線的信號也可以單獨地獲取，但目前設(shè)備中的像素是基于 3 到 4 根納米線形成的。

「當(dāng)你試圖對畫面成像時，實際上在透鏡之后形成的圖像是彎曲的，一個平面?zhèn)鞲衅黠@然無法讓圖像清晰地聚焦——但目前大多數(shù)人造傳感器都是剛性且平坦的，」這篇論文的評審，威斯康星大學(xué)電氣工程教授 Hongrui Jiang 表示?！竿瑫r，新研究部署在人造視網(wǎng)膜上的納米線非常密集，它與人類眼球中的感光組件密度相當(dāng)，甚至更高。」

EC-EYE 的圖像感應(yīng)過程。

顧磊磊及其同事發(fā)明的人造眼所具備的整體性能代表了此類設(shè)備的一次飛躍，但仍需要做出很多改進。

首先，光電傳感器陣列的像素目前僅為 10×10，像素之間存在著大約 200-μm 的差距，這意味著光檢測區(qū)域的寬度僅為 2mm。此外，制作過程中還涉及一些花費高昂且通量較低的步驟，比如使用聚焦離子束刻蝕這種造價較高的工藝為納米線準(zhǔn)備每一個孔隙。所以未來必須開發(fā)高通量的制作方法，從而以更低的成本生產(chǎn)更大的光電傳感器陣列。

其次，為了提高視網(wǎng)膜的分辨率和尺度，液態(tài)金屬線的尺寸需要減小。這些線的外直徑約為 700 μm，但理想情況下應(yīng)達到納米線直徑的水平，即幾微米。目前來看，將液態(tài)金屬線直徑減小至幾微米依然是很大的挑戰(zhàn)。

目前，「人造眼」的分辨率還不高，因為納米線陣列僅有 100 個像素（1 個像素有 3 條納米線）。但作者認(rèn)為他們的設(shè)計最終有望實現(xiàn)比人眼更高的分辨率，因為將納米線密度提高到人眼光感受器的十倍以上是有可能實現(xiàn)的。

壽命也是一個問題，我們還需要進行更多測試來確定人造視網(wǎng)膜的使用壽命。根據(jù)顧磊磊等人的說法，在使用 9 小時后，人造眼的性能并沒有出現(xiàn)明顯的下降，但其他電化學(xué)裝置的性能卻隨時間推移而逐漸下降。最后，研究者指出，在離子液濃度較高的情況下，設(shè)備的響應(yīng)和恢復(fù)時間會縮短，但液體中光透射的性能會下降。所以需要對離子液成分進一步優(yōu)化以解決這一問題。

盡管顧磊磊等人的仿生人造眼存在著這樣那樣的問題，但依然為該領(lǐng)域添上了濃墨重彩的一筆。

「模仿自然界生物的眼睛，一直是很多工程師們的夢想。一些科學(xué)家試圖模仿哺乳動物的眼睛，也有人試圖制造出類似于昆蟲的復(fù)眼，」Hongrui Jiang 說道?！高@一領(lǐng)域目前終于有了真正的突破。我認(rèn)為在大約十年后，我們將看到一些人造眼的，非常實際的應(yīng)用?！?/section>

人造眼究竟何時可以替代人眼？已有醫(yī)療從業(yè)者將這一登上 Nature 的研究視為「了不起的工作」。據(jù)論文作者之一的范智勇介紹，研究團隊正希望與醫(yī)學(xué)研究人員合作，根據(jù)這種設(shè)計來制造可替代人眼的設(shè)備。不過讓計算機可以識別電信號只是第一步，我們未來還面臨著更大的挑戰(zhàn)：如何安全地讓感光設(shè)備與大腦交互產(chǎn)生圖像。

參考內(nèi)容：

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

https://www.scientificamerican.com/article/new-artificial-eye-mimics-a-retinas-natural-curve/

首屆“馬欄山”杯國際音視頻算法大賽正在火熱進行中。大賽聚焦圖像和推薦、畫質(zhì)優(yōu)化三大領(lǐng)域，設(shè)置包括視頻特定點位追蹤、視頻推薦、畫質(zhì)損傷修復(fù)三大賽題。優(yōu)秀參賽者不僅可獲得獎金，獲獎解決方案還有機會被應(yīng)用于芒果 TV 核心領(lǐng)域，在校學(xué)生還將可能加入芒果 TV“青芒計劃”，發(fā)放“special offer”。

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