賈浩楠 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

「科學為人類帶來光明」，這句話已經不再是一個比喻了。

5月20日，Nature釋出了一項香港科技大學和UC伯克利的聯合研究成果：採用仿生半球形視網膜結構的電子仿生眼

EC-EYE

。

EC-EYE的外觀和內部都和人眼高度相似，同樣具有透鏡（晶狀體）、離子液（玻璃體）、感光陣列（視網膜）、導線（視神經）等關鍵結構。

半球型人工視網膜

是一個巨大的突破，在此之前，仿生眼研究只侷限在模擬相機原理的平面成像，但其效果遠不如人類本身的半球形視網膜。

Nature評價這項成果：「突破了以往模仿相機或昆蟲複眼的類似研究，

在醫學和其他領域真正實現了可行性

」，也許在未來的十幾年這項技術就可以走進人們日常生活中。

EC-EYE整體結構

EC-EYE與人類的眼球結構毫無二致，由透鏡（晶狀體）、離子液（玻璃體）、感光陣列（視網膜）、導線（視神經）組成。

鏡片與人工虹膜（光圈）結合在前部。後面的人工視網膜與前面的半球形外殼結合在一起，形成一個球形腔體（即 “眼球”）。

前半球形外殼由內襯鎢絲的鋁膜製成。腔內充滿了一種模擬玻璃體的離子液體，這種液體是填充透鏡和視網膜之間的凝膠體。被用作視網膜上奈米光敏器的前端公共觸點。

由液態金屬（共晶鎵-銦合金）製成細而有彈性的導線，密封在軟橡膠管中，將奈米線光敏器的訊號傳輸到外部電路進行訊號處理，模仿連線人眼和大腦的神經纖維。

在液態金屬線和奈米線之間有一層銦，可以最佳化兩者之間的電接觸。

人工視網膜由一個由矽聚合物製成的基座固定，以確保導線和奈米光敏點之間的正確對位。

EC-EYE和人眼之間的整體結構相似性使得它擁有100°的寬廣視野。相比之下，靜態人眼的垂直視場大約為130°。

關鍵創新：人工半球形視網膜

人類的球形視網膜結構自然地減少了穿過晶狀體的光的散射，從而使焦距更加清晰。

這種結構還可以直接補償來自於彎曲焦平面的像差，降低光學系統的複雜性。這是相機的平面成像結構無法比擬的優勢。

模仿人類的眼睛對人工視覺系統十分重要。特別是對於類人機器人來說，其視覺系統除了具有優越的裝置特性外，還應該與人的外觀相似，以實現人機友好互動。

而科研人員一直無法找到合適的材料來模擬這種結構。

目前商業化的電荷耦合器件（CCD）和互補金氧半導體（CMOS）影象感測器，主要採用主流的平面微細加工工藝，成品只能是平面結構。

而EC-EYE的關鍵創新在於採用了高密度的奈米感光材料陣列。

這種奈米感光材料使用

甲脒碘化鉛雜化的鈣鈦礦

（formamidinium lead iodide perovskite）製成。

鈣鈦礦材料最引人注目的特性其神奇的光電性質。有機-無機雜化鈣鈦礦材料具有很高的消光係數、長載流子壽命，比較高而且均衡的載流子遷移率、低缺陷濃度、淺缺陷能級、高熒光量子產率、低激子束縛能等優點，非常適合用於各種光電器件。

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圖d為人工視網膜主體，e為鑲嵌其中的奈米材料感光點，f為甲脒碘化鉛雜化鈣鈦礦單晶結構。

EC-EYE人工視網膜的奈米感光點密度為 4。6 × 108 cm-2，遠高於人類視網膜感光密度（約為107cm-2），因此可以實現更高的影象解析度。

EC-EYE的仿生視網膜光敏感度範圍為每平方釐米0。3微瓦-50毫瓦。最低的光強度下，每個奈米感測器可以檢測到86個光子，與人類的視網膜相當。且對可見光譜內所有頻率的光都敏感。

接受光刺激後的短短19。2毫秒內作出響應，然後在23。9毫秒內恢復到未啟用狀態，這比人眼視網膜中感光細胞 40-150毫秒的響應和恢復時間短得得多。

成像裝置

液態金屬線透過電路板連線到由計算機控制的100×1複用器。

測量系統的設計圖及相應的電路圖下所示。

測試步驟：透過將光學圖案投射到EC-EYE上，對影象感測功能進行檢測，並記錄各感測器畫素的光電流。

下圖顯示了被成像的字元’A’及其在平面上的投影。

與基於橫結構的平面圖像感測器相比，EC-EYE成像具有更高的對比度和更清晰的邊緣。

因為每個獨立的畫素與相鄰的畫素分界更明顯。

此外裝置還包括一個小的電化學影象感測器與磁微針接觸，與其他光學部件一起組裝成一個微型攝像機。磁微針對準技術也很好地適用於整個半球形表面。

目前這種奈米感光陣列只有10×10個畫素點，畫素點之間存在200微米間隙，這意味著，這種感測器的光檢測區域只有 2mm。

減少液態金屬線的直徑是目前這項工作面臨的最大挑戰。

目前這種液態金屬訊號傳導線的直徑約為 700 微米，因此只能實現每 3-4 個感測器連線一根液態金屬導線。

而理想狀態下液態金屬導線的直徑應該與奈米線的直徑（約幾微米）相當，這樣才能實現每個感測器連線一根導線，達到更高的解析度。

此外，由於電化學裝置的效能會隨著時間的流逝而下降，所以這種人工視網膜的壽命還需要更多的測試。

不過即使有一些不完美，但無可否認這是仿生眼研發的重大進步。

Nature指出，仿生眼不是模仿照相機，而是模仿人類複雜的眼球結構和人機互動。這項研究所取得的進步，使人們相信，未來 10 年能親眼見到仿生眼在生活中的大規模應用。

論文地址

—完—

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