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(jué)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(duì)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(lái)源:Leilei Gu and Fantastic Color Animation Technology Co., Ltd
構(gòu)造彎曲的視網(wǎng)膜很重要,因?yàn)橹挥性诖┻^(guò)彎曲的透鏡后,光線(xiàn)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(shuō):“對(duì)某物成像時(shí),實(shí)際上在鏡頭之后形成的圖像是彎曲的?!比绻嗽煅叟鋫湟粋€(gè)扁平的傳感器,那么圖像將無(wú)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(yáng)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(zhǎng)度則為幾個(gè)微米。香港科技大學(xué)的電子和計(jì)算機(jī)工程師范智勇說(shuō),這些細(xì)絲模仿了眼睛的細(xì)長(zhǎng)的感光細(xì)胞的結(jié)構(gòu)?!暗抢щy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(gè)問(wèn)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(shí)在上面開(kāi)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(zhǎng)”鈣鈦礦納米細(xì)絲。研究人員表示:“納米線(xiàn)的密度非常高,甚至比人眼中感光體的密度還要高?!?/p>
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(gè)彎曲的晶狀體。受到真實(shí)的眼睛中特殊液體的啟發(fā),該團(tuán)隊(duì)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?!斑@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(cè)光并將該信號(hào)發(fā)送到外部圖像處理電子設(shè)備?!?/p>
當(dāng)團(tuán)隊(duì)測(cè)試人造眼時(shí),它可以在短至19毫秒的時(shí)間內(nèi)處理光的圖案,這是人眼所需時(shí)間的一半。它產(chǎn)生的圖像比具有相似像素?cái)?shù)的平面圖像傳感器產(chǎn)生的圖像具有更高的對(duì)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(jué):它可以吸收更大范圍的波長(zhǎng),并且沒(méi)有盲點(diǎn)。
研究人員表示,這種裝置可以通過(guò)重構(gòu)人造眼觀(guān)察到的圖片(字母“E”“I”和“Y”)“看見(jiàn)”對(duì)象。實(shí)驗(yàn)中的概念驗(yàn)證裝置分辨率較低,因?yàn)榧{米線(xiàn)陣列只有100像素,每個(gè)像素含3條納米線(xiàn)。但研究人員認(rèn)為,他們的設(shè)計(jì)有可能獲得比人眼更好的分辨率,因?yàn)榧{米線(xiàn)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(xiàng)研究很新穎,但是還沒(méi)有看到如何將其與人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)。 她從事失明治療設(shè)備的工作,包括稱(chēng)為Argus II的視網(wǎng)膜假體,并指出開(kāi)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(lèi)型的高分辨率界面,然后再與人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)協(xié)同工作。”
這項(xiàng)研究由香港科技大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程學(xué)系范智勇團(tuán)隊(duì)、美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系和美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)工程學(xué)系顧磊磊(Leilei Gu)。
責(zé)任編輯:pj
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