一種具有觸覺、感官擴展和交互功能的人工智能角膜

角膜位于眼睛的前部，是一種具有光聚焦功能的透明結(jié)構(gòu)，可以保護虹膜和晶狀體不受外來物質(zhì)的損傷。角膜是人體神經(jīng)最密集的部位，因此對外來污染物非常敏感，觸摸角膜會引起不自主的眼瞼閉合反射（角膜反射）。然而，角膜疾病能夠致盲，目前，全世界有超過1000萬人患有雙側(cè)角膜盲。同種異體供體角膜移植（即角膜移植）是治療這種疾病最常見的醫(yī)療手段，但由于供體角膜的稀缺，只有約七十分之一的患者可以接受角膜移植手術(shù)，目前有1270萬患者仍在等待中。

為了解決這一問題，符合光學和透明度要求的人工角膜替代物應(yīng)運而生。然而，雖然現(xiàn)有的人工角膜可以承擔天然角膜的部分功能，例如保護和光折射等，但其無法重建觸覺，因此也就無法實現(xiàn)角膜反射。因此，嘗試開發(fā)一種具有觸覺，甚至具有感官擴展和交互功能的“智能”人工角膜，對于角膜盲患者的視力恢復(fù)具有重要意義。此外，這些功能必須通過內(nèi)置的“隱形”電子器件來實現(xiàn)，以達到天然角膜的高透明度和低霧度。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，為了填補以上空白，近期，來自南開大學的研究人員開發(fā)了一種人工智能角膜，其具有與人類天然角膜一樣的保護、觸覺感知和光折射功能，并具有感官擴展（拓寬現(xiàn)有的感官體驗）和交互功能。相關(guān)研究成果以“An artificially-intelligent cornea with tactile sensation enables sensory expansion and interaction”為題發(fā)表在nature communications期刊上。

具體而言，研究人員首先構(gòu)建了一個人工角膜反射弧，其由一個振動傳感器-振蕩電路，一個氧化鋅錫（ZTO）人工突觸（AS），一個放大器電路和一對電致變色器件構(gòu)成。其中，振動傳感器-振蕩電路作為感受器將機械刺激轉(zhuǎn)換為電脈沖；氧化鋅錫人工突觸作為處理核心，用于傳遞和整合信息；放大器電路用于輸出所需電壓以操作執(zhí)行器；電致變色器件充當執(zhí)行器，對突觸后電流做出響應(yīng)。

圖1 人工角膜反射弧的構(gòu)建原理和應(yīng)用

在人體中，眼輪匝肌的收縮會降低進入眼睛的光線強度，因此，研究人員利用可以由淺藍色變?yōu)樯钏{色并同步降低透光率的電致變色器件作為執(zhí)行器來模擬眼輪匝肌的收縮。利用以上方法構(gòu)建的人工角膜反射弧與天然角膜一樣具有保護、觸覺感知和光折射等功能，還可以模擬眼輪匝肌的收縮。其比人體天然角膜和不能感知觸覺刺激的傳統(tǒng)人工角膜更加智能。因此，研究人員將這種人工角膜反射弧命名為“具有觸覺的人工智能角膜”。

圖2 具有觸覺的人工智能角膜

人體天然角膜不具備光感知和隨光強度變化而調(diào)節(jié)的功能。當光通過角膜進入眼睛時，會被視網(wǎng)膜上的光感受器（視桿細胞和視錐細胞）檢測到，然后光感受器將光信號轉(zhuǎn)換為動作電位，并通過視神經(jīng)傳遞到大腦皮層。為了增加這種具有觸覺的人工智能角膜的智能度，研究人員通過利用光傳感器-振蕩電路代替原有的振動傳感器-振蕩電路賦予了其光感知能力，從而使得這種人工智能角膜具備了感官擴展的功能，獲得了對外界光刺激的感知和響應(yīng)能力。

圖3 人工智能角膜的感官擴展和交互功能

最后，作為概念驗證，研究人員給機器人裝配了人工智能角膜。驗證結(jié)果顯示，在弱光下，這種人工智能角膜呈高透光率的淺藍色；在強光下，其會變?yōu)榈屯腹饴实纳钏{色?？偠灾?，該研究開發(fā)的人工智能角膜與人類神經(jīng)系統(tǒng)在邏輯上兼容，具備人類天然角膜的保護、觸覺感知和光折射功能，并擴展了人類天然角膜不具備的光感知和交互功能。

展望未來，該研究開發(fā)的人工智能角膜在生物相容性、穩(wěn)定性、尺寸和集成度等方面還需要進行進一步的優(yōu)化。經(jīng)過開發(fā)和優(yōu)化，這種人工智能角膜可以移植到等待醫(yī)療干預(yù)的角膜盲患者體中，從而緩解供體角膜的短缺。因此，優(yōu)化后的成熟人工智能角膜在神經(jīng)修復(fù)和視覺康復(fù)方面具有潛在的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清