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俗話說，眼睛是心靈的窗戶。從生物的角度來說，眼睛也是大多數(shù)動物最重要的感知器官，我們的大腦通過眼睛獲得超過80%的關(guān)于周圍環(huán)境的信息[1]。

所以，失明患者往往都生活得很艱難，尤其是摘除了眼球的失明患者，現(xiàn)在的醫(yī)療技術(shù)還無法制造出有視覺功能類似人眼的仿生眼球。

不過在上周的《自然》雜志上[2]，香港科技大學的研究人員發(fā)表了一項突破性的研究成果，他們利用新技術(shù)和新材料制造出的仿生眼球，擁有和人眼球差不多的對光的敏感度，而且能比人眼球感知到更高的分辨率。

人眼球的結(jié)構(gòu)非常精妙，視網(wǎng)膜呈半球形，穹頂形狀能自然地減少通過晶狀體的光線的擴散，相比照相機之類的平面成像的圖像傳感器，聚焦能力更好。但是，這個優(yōu)點恰好增加了仿生眼球的制造難度，因為工藝的限制，半球形的圖像傳感器制造幾乎是不可能的。

b：人眼球結(jié)構(gòu)，從左至右依次為晶狀體、玻璃體、視網(wǎng)膜和神經(jīng)纖維，c：視網(wǎng)膜局部放大圖，包含視神經(jīng)、神經(jīng)元和感光細胞（photoreceptors）

這次，研究人員打破了這個限制。他們使用可彎曲的三氧化二鋁制作了視網(wǎng)膜，也就是眼球的后半部分球形，前半部分球形用的是襯有鎢膜的鋁，然后用離子液體模仿人眼球中的玻璃體。

人眼球視網(wǎng)膜穹頂?shù)牟糠植紳M了感光細胞，感光細胞接收到的光信號會通過和眼球相連的神經(jīng)纖維，傳遞到大腦。

研究人員在鋁制視網(wǎng)膜的孔隙中嵌入了納米材料傳感器，傳感器由感光材料鈣鈦礦制成，這種材料目前主要的研究方向是用于新型太陽能電池。有了“感光細胞”，還需要神經(jīng)纖維，他們將液態(tài)金屬，共晶鎵-銦合金密封在柔軟的橡膠管中，制成外徑僅有700微米的一根根的神經(jīng)纖維。

最后，研究人員還用硅酮聚合物制作了一個“插座”，把人造視網(wǎng)膜固定住，保證“人造感光細胞”和“人造神經(jīng)纖維”能對齊不跑偏。

仿生眼球結(jié)構(gòu)

人造眼球的架子搭好了，但只有形似是不夠的，功能如果能夠達到和人的眼球差不多的水平才是成功地“仿生”。

人眼有非常廣泛的視覺感知，大約有155°，這一點想必大家在生活中也能感覺到，我們即使不轉(zhuǎn)頭，視線較偏的部分用余光也能掃到，而普通的平面成像傳感器的視野只有70°。這次新的仿生眼球因為結(jié)構(gòu)和人眼球已經(jīng)比較接近了，所以也有100°左右的視野，相比平面成像有了很大的進步。

雖然視野范圍稍微遜色，但仿生眼球也有不遜于，甚至強于人眼球的方面。

例如，仿生眼球?qū)鈴姸鹊母兄秶軐?/strong>，從每平方厘米0.3微瓦到50毫瓦不等，在光強度最低的時候，眼球中每個模仿感光細胞的納米傳感器，平均每秒可以檢測到86個光子，與人視網(wǎng)膜感光細胞的靈敏度相當，保證了仿生眼球能夠像人眼一樣在昏暗的光線條件下清楚地視物。

新仿生眼球概念圖，圖片來自于Leilei Gu and Fantastic Color Animation Technology Co., Ltd

另一個是記錄光線變化的速度，仿生眼球需要的時間在19.2毫秒到23.9毫秒之間，比人眼球的40-150毫秒要快。這一點反映了視網(wǎng)膜對光信號的響應速度。

最后，也是突破最大的一點在于，仿生眼球具有比人眼球更高的分辨率。這一點主要是因為，在人造視網(wǎng)膜中嵌入的，充當感光細胞的納米傳感器數(shù)量非常多，每平方厘米有4.6億個，而人視網(wǎng)膜中真正的感光細胞每平方厘米大約為1000萬個。

分辨率是大家都比較熟悉的概念，圖像的分辨率高，我們看到的內(nèi)容也就更“高清”，因此，同一個物體或同一片風景，仿生眼球看到的是更加高清的畫面。

威斯康星麥迪遜大學的電氣工程師Hongrui Jiang為這個研究成果撰寫了評論文章[3]，他表示，這是這個領(lǐng)域幾十年里的一個重要突破，實現(xiàn)了仿生眼球整體性能的飛躍。

圖片來自于；pixabay.com

同時，他指出，這個成果還有很多要改進的地方，比如，未來要想廣泛應用，就必須開發(fā)高通量的制造方法，降低成本；再一個，為了提高視網(wǎng)膜的分辨率，包被有橡膠軟管的液態(tài)金屬線的直徑尺寸需要縮小，從目前的700微米縮小到幾微米；最后，仿生眼球的使用壽命也還需要更多的測試，因為眼球中的電化學設(shè)備性能會隨著時間逐漸降低，高昂的成本也不能支持反復地更換。

不過，就如Hongrui Jiang工程師所說，雖然還有不足，但這些進步和成功會讓我們在接下來的十年中，在日常生活中更多地見到仿生眼球的應用。