人眼是一种精密的仪器：图像通过球体前部的弯曲晶状体进入，穿过其黏稠的玻璃液体，然后到达感光视网膜——视网膜将信号传递到视神经，视神经将图像传送到大脑。工程师们已经尝试复制这种结构大约十年了。现在，一种新型人工眼成功地模仿了天然仪器的球形形状。研究人员希望这一成就能够带来更清晰的机器人视觉和假肢设备。一篇关于这项开发的论文于周三发表在《自然》杂志上。
这项研究建立在钙钛矿的基础上，钙钛矿是一种用于太阳能电池的导电和感光材料，可用于制造长度为千分之几毫米的极细纳米线。研究合著者、香港科技大学电子与计算机工程师范智勇说，这些导线模仿了眼睛细长的光感受器细胞的结构。“但困难在于：我们如何在一个半球形基底上制造纳米线阵列，以形成这个半球形视网膜？”他补充道。构建弯曲的视网膜非常重要，因为光线只有在通过弯曲的晶状体后才会照射到视网膜。“当您尝试成像时，镜头后形成的图像实际上是弯曲的，”威斯康星大学麦迪逊分校的电气工程师姜洪睿说，他审阅了这篇新论文，但没有直接参与这项工作。“如果您有一个平面传感器，那么图像就无法清晰聚焦。”视网膜是弯曲的，但电子光传感器是刚性和扁平的。
为了解决这个问题，范智勇和他的同事将柔软的铝箔变形为半球形。然后，他们用电化学工艺处理金属，将其转化为一种称为氧化铝的绝缘体。这个过程还在材料上留下了布满纳米级孔隙的结构。结果，研究人员得到了一个弯曲的半球，它具有方便的密集孔洞，他们可以在其中“生长”钙钛矿纳米线。“纳米线的密度非常高，”姜洪睿说。“它与人眼光感受器的密度相当——实际上甚至更高。”
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一旦他们有了弯曲的“视网膜”，科学家们就将其融入到一个人造眼睛中，这个人造眼睛的前部包含一个弯曲的晶状体。受到真眼中特殊液体的启发，研究小组在其仿生版本中填充了一种离子液体，这是一种带电粒子可以移动的液态盐。“内部一个非常重要的组成部分是在我们填充离子液体的腔体中，”范智勇说。“一旦这些纳米线产生电荷，电荷将与一些离子交换。”这种电化学交换使钙钛矿纳米线能够执行检测光线并将信号发送到外部图像处理电子设备的电化学功能。
当研究小组测试人工眼时，它成功地在短短 19 毫秒内处理了光线模式——这比人眼所需的时间少一半。与具有相似像素数量的平面图像传感器生成的图像相比，它产生的图像具有更高的对比度和更清晰的边缘。在某些方面，人工眼改进了自然视觉：它可以捕捉更广的波长范围，并且没有盲点。
范智勇希望与医学研究人员合作，基于他的团队的设计制造假肢设备。然而，这样做可能需要更多的开发工作。生物医学公司 Second Sight 的临床和科学事务副总裁 Jessy Dorn 说，这种人工眼“非常优雅；看起来是很棒的工作”，她没有参与这项研究。“但[研究作者]没有谈论它如何可能连接到人类视觉系统。”她致力于治疗失明的设备，包括一种名为 Argus II 的视网膜假体，并指出开发电子接口只是第一步。这样的设备需要与人脑互动才能产生图像。“这是更大的挑战之一：如何安全可靠地植入任何类型的高分辨率接口，然后[与]人类视觉系统协同工作。”
此外，失明有不同的类型，完美的眼睛可能并不总是产生完美的视觉。例如，婴儿期和儿童期的大脑发育对于处理视觉输入至关重要——因此，天生失明的人可能永远不会拥有以后通过假肢眼睛看到事物所需的大脑线路。Dorn 指出，Argus II 植入物的接受者都是在晚年才失明的成年人。即使是他们，成功程度也各不相同：有些人只获得了区分光明和阴影的能力，而另一些人则可以处理形状。尽管如此，她说，与环境的任何视觉联系都可以带来更多的独立性和更大的行动自由。假肢并不是人工眼的唯一有价值的应用：这种设备可以在机器人视觉中立即应用。
姜洪睿说：“模仿天然眼睛一直是许多光学工程师的梦想”，他指出，一些研究人员寻求模仿哺乳动物的眼睛，而另一些研究人员则研究类似昆虫的复眼。他补充说，该领域终于开始取得真正的突破。“我认为在大约 10 年内，我们应该会看到这些仿生眼的一些非常具体的实际应用。”