人眼具有極廣的視野、高分辨率、低像差和高靈敏度等特殊的圖像感應(yīng)特性。而具有這種特性的仿生眼睛是非常理想的，特別是在機(jī)器人和視覺假體技術(shù)中。但是，生物眼睛的球形特性，尤其是其核心部件視網(wǎng)膜，對仿生眼睛的制造提出了巨大的挑戰(zhàn)。

新的人造眼的藝術(shù)家渲染。圖片來源：Leilei Gu and Fantastic Color Animation Technology Co.， Ltd

構(gòu)造彎曲的視網(wǎng)膜很重要，因為只有在穿過彎曲的透鏡后，光線才能投射到視網(wǎng)膜上。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的電氣工程師姜洪瑞說：“對某物成像時，實際上在鏡頭之后形成的圖像是彎曲的。”如果人造眼配備一個扁平的傳感器，那么圖像將無法非常清晰地聚焦。” 視網(wǎng)膜是彎曲的，但是電子光傳感器是剛性且平坦的。

鈣鈦礦是一種用于太陽能電池的導(dǎo)電和光敏材料，可用于制造極細(xì)的納米細(xì)絲，其長度則為幾個微米。香港科技大學(xué)的電子和計算機(jī)工程師范智勇說，這些細(xì)絲模仿了眼睛的細(xì)長的感光細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。“但是困難在于：如何在半球形基底中制造納米細(xì)絲陣列以形成該半球形視網(wǎng)膜？”

為了解決這個問題，范智勇和他的同事們將軟鋁箔彎成半球形，然后將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕裳趸X構(gòu)成的絕緣體，同時在上面開出了密集的小孔，最終，研究人員得到了一種半球形的多孔透明絕緣模板，可以在其中“生長”鈣鈦礦納米細(xì)絲。研究人員表示：“納米線的密度非常高，甚至比人眼中感光體的密度還要高。”

圖1：仿生人造眼

一旦他們有了彎曲的“視網(wǎng)膜”，科學(xué)家就將其整合到了人造眼中，該人造眼的前部包括一個彎曲的晶狀體。受到真實的眼睛中特殊液體的啟發(fā)，該團(tuán)隊在其仿生版本中填充了一種離子液體，一旦這些納米細(xì)絲產(chǎn)生電荷，電荷將與某些離子交換。“這種電交換使鈣鈦礦納米細(xì)絲可以執(zhí)行電化學(xué)功能，以檢測光并將該信號發(fā)送到外部圖像處理電子設(shè)備。”

當(dāng)團(tuán)隊測試人造眼時，它可以在短至19毫秒的時間內(nèi)處理光的圖案，這是人眼所需時間的一半。它產(chǎn)生的圖像比具有相似像素數(shù)的平面圖像傳感器產(chǎn)生的圖像具有更高的對比度和更清晰的邊緣。在某些方面，人造眼可以改善自然視覺：它可以吸收更大范圍的波長，并且沒有盲點(diǎn)。

研究人員表示，這種裝置可以通過重構(gòu)人造眼觀察到的圖片（字母“E”“I”和“Y”）“看見”對象。實驗中的概念驗證裝置分辨率較低，因為納米線陣列只有100像素，每個像素含3條納米線。但研究人員認(rèn)為，他們的設(shè)計有可能獲得比人眼更好的分辨率，因為納米線的密度可以增加到人眼光感受器的10倍以上。

圖2：人造眼的詳細(xì)結(jié)構(gòu)

生物醫(yī)學(xué)公司Second Sight的臨床和科學(xué)事務(wù)副總裁Jessy Dorn認(rèn)為，這項研究很新穎，但是還沒有看到如何將其與人類視覺系統(tǒng)聯(lián)系起來。 她從事失明治療設(shè)備的工作，包括稱為Argus II的視網(wǎng)膜假體，并指出開發(fā)電子界面只是第一步，這樣的設(shè)備將需要與人腦交互以產(chǎn)生圖像。“這是更大的挑戰(zhàn)之一：如何安全可靠地植入任何類型的高分辨率界面，然后再與人類視覺系統(tǒng)協(xié)同工作。”

這項研究由香港科技大學(xué)電子與計算機(jī)工程學(xué)系范智勇團(tuán)隊、美國加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計算機(jī)科學(xué)系和美國勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學(xué)部的研究人員合作完成，相關(guān)論文以“A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina”為題發(fā)表在Nature上，第一作者是香港科技大學(xué)電子與計算機(jī)工程學(xué)系顧磊磊（Leilei Gu）。
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