人造眼不再科幻:港科大革命性研究登上Nature,部分能力比人眼更強大

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膜狀組件中,這套設備的一些能力已經與生物眼相當了。科學家們還表示,理論上這種設計可實現比人眼更高的分辨率。

很多科幻小說中經常會出現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。為了開發這樣的設備,科學家多年來做出了很多努力,但是制造球形的人類眼球——特別是半球形視網膜,一直是技術上難以實現的挑戰,嚴重阻礙了人造眼實現的進程。
在今天剛剛出版的《自然》雜志上,香港科技大學顧磊磊(Leilei Gu)、范智勇等人在論文《A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina》中提出了一種創新的凹半球「視網膜」,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
這種視網膜由模仿人類視網膜中感光細胞的納米級光電傳感器陣列組成。研究者使用基于這套設備的電化學人造眼,在多項測試中與人眼進行對比,發現「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膜,與普通攝像頭的平面感光元件相比顯然更加精巧:視網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構具有視場寬、分辨率高、對光高度敏感的特點,而在半球形視網膜上還分布著大量視細胞——每平方厘米約有 1000 萬個。
顧磊磊等人的仿生電化學眼的核心組件是用作視網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。
用液態金屬(共晶鎵-銦合金)做成的纖細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到外部電路,以進行信號處理。這些線模擬連接人眼和大腦的神經纖維。液態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。
結合了人工虹膜的晶狀體被放置在該設備的前端,就像人眼一樣。背側的視網膜和前端的半球形殼體結合起來,形成球形電離室(即「眼球」),前側的半球形殼體由鋁和鎢膜制成。電離室內充滿離子液,用以模仿玻璃體,即填充人眼中晶狀體和視網膜之間空間的膠狀物質。
這種布局對于納米線的電化學操作而言是必要的。人造眼和人眼的整體結構相似性使得顧磊磊等人的設備具備 100° 的寬視場,靜態人眼的垂直視場大約為 130°。
第一版「人造眼」又被稱為 EC-EYE,它的結構細節是這樣的:

看起來已經很符合人類眼球的畫風了。
顧磊磊及其同事制作的人造眼在結構擬態方面令人驚艷,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,人造視網膜中的每條納米線平均每秒檢測到 86 光子,這與人眼視網膜中感光細胞的敏感度持平。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快速光脈沖的刺激后,會在 19.2 毫秒內做出響應生成電流——是人眼反應時間的一半,然后在脈沖結束后僅需要 23.9 毫秒即可恢復(至未激活狀態)。響應和恢復時間是重要的參數,因為這兩者最終決定了人造眼對光信號的響應速度。相比而言,人眼視網膜中感光細胞的響應和恢復時間在 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。
 

人類視覺系統和EC-EYE圖像視覺系統的比較。
顧磊磊等人制造的人造視網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,或者把基底轉換為曲面。由于必須留足空間方便遷移或基底轉換,因此成像裝置的密度受到了限制。
而顧磊磊等人的設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,這要比人類視網膜中感光細胞的密度大得多(約為 107 cm–2)。每根納米線的信號也可以單獨地獲取,但目前設備中的像素是基于 3 到 4 根納米線形成的。
「當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,一個平面傳感器顯然無法讓圖像清晰地聚焦——但目前大多數人造傳感器都是剛性且平坦的,」這篇論文的評審,威斯康星大學電氣工程教授 Hongrui Jiang 表示。「同時,新研究部署在人造視網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,甚至更高。」

EC-EYE 的圖像感應過程。
顧磊磊及其同事發明的人造眼所具備的整體性能代表了此類設備的一次飛躍,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備每一個孔隙。所以未來必須開發高通量的制作方法,從而以更低的成本生產更大的光電傳感器陣列。
其次,為了提高視網膜的分辨率和尺度,液態金屬線的尺寸需要減小。這些線的外直徑約為 700 μm,但理想情況下應達到納米線直徑的水平,即幾微米。目前來看,將液態金屬線直徑減小至幾微米依然是很大的挑戰。
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)。但作者認為他們的設計最終有望實現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膜的使用壽命。根據顧磊磊等人的說法,在使用 9 小時后,人造眼的性能并沒有出現明顯的下降,但其他電化學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,設備的響應和恢復時間會縮短,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眼,」Hongrui Jiang 說道。「這一領域目前終于有了真正的突破。我認為在大約十年后,我們將看到一些人造眼的,非常實際的應用。」
人造眼究竟何時可以替代人眼?已有醫療從業者將這一登上 Nature 的研究視為「了不起的工作」。據論文作者之一的范智勇介紹,研究團隊正希望與醫學研究人員合作,根據這種設計來制造可替代人眼的設備。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:如何安全地讓感光設備與大腦交互產生圖像。
參考內容:
https://www.nature.com/articles/d41586-020-01420-7
https://www.scientificamerican.com/article/new-artificial-eye-mimics-a-retinas-natural-curve/

摘自:機器之心

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