原标题：高性能仿生眼，能为盲人带来“一世光明”吗
最大限度模拟人眼，突破半球形视网膜技术—
科幻电影《终结者》中，阿诺·施瓦辛格饰演的赛博格杀手，其装备的仿生眼视力丝毫不比人眼差；《机械公敌》里，拥有金属器官和身体的智能机器人灵巧躲避男主角史普纳的拳头。在幻想世界播下的种子，如今在现实世界里生根发芽。一直以来，科学家们致力于仿生眼的研究，试图将科幻情节照入现实。
日前，香港科技大学电子与计算机工程系范智勇教授课题组在《Nature》杂志在线发表论文，宣布成功研制世界首个基于钙钛矿纳米线阵列半球状视网膜的仿生人眼。在接受周刊记者专访时，范智勇表示，仿生人眼有着更高灵敏度和分辨率，此次人工智能与仿生工程的奇妙结合，或许能为盲人的世界带来光明。
光敏纳米线，半球形视网膜……
仿生眼结构拟态“有模有样”
“眼睛体积虽小，却是一部极为复杂、精密的生物传感器。”江苏省人民医院眼科主任医师邵庆向记者介绍，人的眼睛主要由眼球、视路和眼附属器三大部分组成。眼球后端有一条视神经与脑部视觉中枢相连，眼球中的内容物（房水、晶状体、玻璃体）和角膜一起构成了屈光系统。视路主要指从视网膜开始，将外界信息转换成生物电信号，由视神经将“电波”传递到大脑中枢形成视觉的通路。“简单来说，视觉的形成，首先通过眼球的屈光系统成像，然后通过视网膜感光，视觉信号经视路传递到大脑，最后在大脑的视觉中枢整合信息形成视觉。”
开发仿生眼的巨大挑战在于实现人眼的球形构造，特别是半球形的视网膜。“目前主流的半导体微加工工艺都是在硅片或其它平面基底上制备器件的，想要在曲面或半球面基底上制备光电传感器阵列的挑战非常大。”范智勇告诉记者，受到科幻电影的启发，早在2011年时他就有了研制仿生眼的想法。然而，由于许多技术难题还没有解决，经过几年的积累，2016年他和学生才正式动手研发。
为了最大限度模拟人眼视觉系统，范智勇和团队所构建的仿生眼将一个透镜固定在“眼球”的孔径上，“眼球”正面是金属壳，背部是一个人造视网膜。“正如咱们眼球里的玻璃体和水状液，我们将离子液体放置在人造视网膜前，当作整体的前电极。为了模拟人类视网膜上的视神经纤维，我们将很细的液态金属线置于人造视网膜之后，当作背电极。”
这种仿生眼中还有一个最关键的创新点，是其结构中的半球形凹面视网膜。“这个视网膜假体模仿了人类视网膜的结构，其原理是取代人类视网膜的感光功能”。范智勇解释，因为人视网膜里感光细胞的大小大概在微米到纳米尺寸范围，所以他们想到用光敏纳米线来模仿视觉神经感光细胞。
研究人员将这些纳米线高密度地集成在半球形的多孔模板里面，从而构成一组仿生视网膜的高密度感光器阵列——一个硅聚合物制作的眼窝托住视网膜，确保纳米线可以和背部的液体金属线发生电接触；液体金属线模拟的是神经纤维，它们能够将纳米线的信号传输至外部电路进行信号处理。
反应快 看得清
仿生眼性能“青出于蓝胜于蓝”
范智勇团队所研制出的仿生眼从外观上看十分接近真实人眼，二者的异同之处究竟在哪里？首先，仿生眼和真实人眼尺寸大小一致，并且都是球形。真实人眼所拥有的透镜和视网膜，在我们的仿生眼中也可以找到对应组织。此外，人眼视网膜里的感光细胞是三维集成的，而仿生视网膜里的纳米线也是三维集成的。
鉴于与人眼结构的整体相似性，仿生眼拥有100°的广阔视野，而一个静态人眼的垂直视场大约在130°左右。
范智勇介绍，尽管二者在许多方面很相似，但仍存在不同。在一些方面，仿生眼的性能甚至超越了真实人眼。“从感光细胞的密度角度讲，我们的仿生视网膜上的纳米线密度比人眼的感光细胞密度高约一个量级，且仿生眼的光谱响应范围比人眼光谱响应范围大200纳米左右。”这也就意味着，仿生眼能看到更紫的光以及部分红外光。另外，仿生眼的响应速度比人眼的响应速度大概要快一倍，且避免了人类视网膜固有的“盲点”问题。
据了解，受到规律快速的光脉冲刺激后，感光细胞的响应时间和恢复时间最终决定了仿生眼对于光信号的反应速度。实验数据显示，纳米线阵列在脉冲刺激后19.2毫秒内就能产生电流；脉冲结束后，它只要23.9毫秒就能恢复（回到不活跃的状态）。与之相比，人类视网膜感光细胞的响应和恢复时间在40毫秒到150毫秒之间，逊色于仿生眼。
正如之前所说，仿生眼的纳米线是直接在曲面上组装的，这使它们之间可以紧密排列。“实际上，纳米线的密度高达4.6×10^8cm^-2，比人类视网膜（约10^7cm^-2）的感光细胞更密。来自每根纳米线的信号都可以被独立接收，而仿生眼的像素需要由三到四根纳米线组成，这种独特设计具有比人眼更好的分辨率视觉的潜力。”范智勇说。
视觉是大脑的延伸
仿生眼应用前景巨大
有研究显示，人从外界接收的信息中，有超过80%的信息是通过眼睛感知的。想要更好地认知大千世界，视觉感受无疑是最直观的途径之一。然而，2018年我国视力残疾患者人数达到1700多万，相当于每80人中就有一个“黑暗中的行者”。有什么办法能让盲人重获光明？从临床的角度，邵庆解释了治疗失明的难度所在：眼球的屈光系统可通过“人工”或移植取代，各种原因导致角膜混浊影响视力可进行角膜移植手术。当出现晶状体混浊，可以在摘除后植入人工晶体。但视网膜、视神经、视觉中枢，本质上是大脑的延伸，很难人造或移植。因此，通过仿生眼来帮助盲人重见光明的需求急迫。
“仿生眼的应用前景之一是可以用仿生眼或者仿生视网膜来帮助有眼疾的人恢复视力，但就目前而言，我们还希望在生物相容性、稳定性和性能方面进一步改进设备。”范智勇表示，如果需要用于视觉恢复，仿生眼首先需要选用生物兼容的材料来制备。此外，要想与视神经相连，则需要更高密度的液态金属纤维。“一个可行的方案是，将我们的仿生视网膜植入人眼，并放置在人眼的视网膜前面，用纳米线产生的光电信号来刺激现有的视觉神经纤维。目前，纳米线的密度和视神经纤维的密度是可以匹配的。”范智勇认为，或许用5-10年时间，这项技术就会变得真正实用。
除此之外，仿生眼的另一个产业前景是可作为广角摄像头，应用于手机、摄像机、机器人、无人机等电子设备上。范智勇告诉记者，如果成功实现广角甚至是全景图像传感，这也就代表传感器本身不再是二维平面，而是三维曲面的。“这方面的应用前景非常巨大，但我们现在还要解决电极接触的密度问题。另外，光电传感器的响应度、灵敏度等方面指标还需要继续提升。”
本报记者 谢诗涵 叶 真
