新型人造眼的藝術(shù)效果圖。圖片來(lái)源：顧雷雷、奇彩動(dòng)畫科技有限公司
撰文 | Sophie Bushwick
翻譯 | 張玉
人類的眼睛就像一臺(tái)精密的儀器：光線穿過(guò)眼球前方彎曲的晶狀體，經(jīng)過(guò)眼球內(nèi)部粘稠的玻璃狀液體，到達(dá)感光的視網(wǎng)膜——視網(wǎng)膜上的細(xì)胞能將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)視神經(jīng)傳送到大腦。近十年來(lái)，工程師們一直試圖復(fù)制這種眼球結(jié)構(gòu)。最近，研究人員制造出了一種新的人工眼，成功模仿了人眼的球形結(jié)構(gòu)，相關(guān)的論文發(fā)表在《自然》上。研究人員希望這一成果能催生出更敏銳的機(jī)器人視覺和人工假眼。
這項(xiàng)研究的材料基礎(chǔ)是鈣鈦礦，它是一種用于太陽(yáng)能電池的導(dǎo)電光敏材料，可以用來(lái)制造極薄的納米線，長(zhǎng)度只有千分之幾毫米。香港科技大學(xué)電子和計(jì)算機(jī)工程師范志勇是這項(xiàng)研究的共同作者之一，他說(shuō)，這些電線模擬了視網(wǎng)膜上細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的感光細(xì)胞。他補(bǔ)充道：“但問(wèn)題是，我們?nèi)绾沃圃煲唤M納米線，形成這個(gè)半球形的視網(wǎng)膜？”
設(shè)計(jì)彎曲的視網(wǎng)膜是很重要的，因?yàn)楣庖ㄟ^(guò)一個(gè)彎曲的晶狀體后才會(huì)照射到它。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的電氣工程師Hongrui Jiang說(shuō)：“當(dāng)你試圖給某物成像時(shí)，透鏡后形成的圖像是彎曲的。如果電子光傳感器是平的，那么圖像就不能清晰地聚焦。”相比于人類彎曲的視網(wǎng)膜，而這一傳感器通常是剛性且平坦的。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，范志勇等人先將軟鋁箔做成半球形。然后用電化學(xué)方法處理這種金屬，把它轉(zhuǎn)化成一種氧化鋁絕緣體。這一過(guò)程使得這種材料布滿了納米級(jí)的孔隙。最終，研究人員得到一個(gè)彎曲的半球，上面布滿了密度合適的小孔，可以用來(lái)“生長(zhǎng)”鈣鈦礦納米線?！凹{米線的密度非常高，”Jiang說(shuō)，“這是可以比較的——事實(shí)上，它甚至比人眼感光細(xì)胞的密度還要高?！?/p>
有了彎曲的“視網(wǎng)膜”，科學(xué)家們把它植入進(jìn)了一個(gè)人造眼球，這個(gè)人造眼球的前部有一個(gè)彎曲的透鏡。受真實(shí)人眼中玻璃狀液體的啟發(fā)，該團(tuán)隊(duì)在仿生眼中加入了離子液體。在這種溶液中，帶電粒子可以移動(dòng)?！捌渲幸粋€(gè)非常重要的組分是我們填充在腔體中的離子液體，”范志勇說(shuō)，“一旦這些納米線產(chǎn)生電荷，電荷就能在一些離子間進(jìn)行交換?！边@種電荷交換使得鈣鈦礦納米線能夠執(zhí)行電化學(xué)功能，如探測(cè)光線并將信號(hào)發(fā)送至外部圖像處理設(shè)備。
當(dāng)研究小組測(cè)試這一人造眼球時(shí)，它對(duì)光的處理過(guò)程僅為19毫秒，是人眼所需時(shí)間的一半。它產(chǎn)生的圖像相比于像素相近的平面圖像傳感器，具有更高的對(duì)比度和更清晰的邊緣。在某種程度上，這種人造眼球改善了自然視力：它可以接收光的波長(zhǎng)范圍更大，而且沒有盲點(diǎn)。
范志勇希望與醫(yī)學(xué)研究人員合作，基于這一設(shè)計(jì)制造人工假眼。但是，這還需要研究人員進(jìn)行更多的開發(fā)。Second Sight生物醫(yī)學(xué)公司的臨床和科學(xué)事務(wù)的副總裁Jessy Dorn表示，“這是一項(xiàng)驚人的研究?！钡脖硎荆骸暗麄儧]有談到它如何與人類的視覺系統(tǒng)建立聯(lián)系?！?/p>
Dorn從事研發(fā)治療失明的設(shè)備，包括一種名為Argus II的視網(wǎng)膜假體。她指出，開發(fā)電子接口只是第一步，這樣的設(shè)備需要與人類大腦相互作用，以產(chǎn)生圖像?！斑@是一項(xiàng)更大的挑戰(zhàn)是：如何將任何類型的高分辨率的設(shè)備接口安全地、可靠地植入人類的視覺系統(tǒng)，并與其協(xié)同工作?！?/p>
失明有多種不同的類型，而完整的眼睛所產(chǎn)生的視覺也可能并不完美的。嬰兒期和兒童期的大腦發(fā)育對(duì)處理視覺輸入是至關(guān)重要的。因此，一個(gè)先天失明的人由于沒有健全的視覺神經(jīng)通路，可能永遠(yuǎn)不能通過(guò)人造眼看見事物。Dorn指出，接受Argus II植入手術(shù)的人，都是在成年后很久才失去視力。甚至，植入手術(shù)的效果也是不同的：有些人只能分辨光和影，而有些人可以分辨形狀。
不過(guò)，她說(shuō)，任何程度的術(shù)后視力恢復(fù)，都能提高患者獨(dú)立生活和自由行動(dòng)的能力。而且，制造假眼并不是人造眼唯一有價(jià)值的用途：這種設(shè)備還可以直接應(yīng)用于構(gòu)建機(jī)器人視覺。
Jiang表示，“模仿出自然的眼睛，一直是許多光學(xué)工程師的夢(mèng)想”，一些研究人員試圖模仿哺乳動(dòng)物的眼睛，而另一些則在研究昆蟲的復(fù)眼。他補(bǔ)充說(shuō)，這個(gè)領(lǐng)域終于開始有了真正的突破，“我認(rèn)為在大約10年內(nèi)，我們應(yīng)該能看到這些仿生眼一些非常實(shí)際的應(yīng)用?！?/p>
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