中國科學(xué)家研發(fā)新型納米線球形仿生眼，獲得廣泛認(rèn)可

“我是一個(gè)科幻迷，很早就開始看《終結(jié)者》《星際迷航》這類的科幻電影了，我覺得科幻電影中的機(jī)器人看起來未來感十足，機(jī)器人的仿生眼也都特別酷炫 。。.。。.” 香港科技大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系范智勇教授如是說。

正是源于這樣一個(gè)科幻夢(mèng)，范阿智勇及其團(tuán)隊(duì)在自 2011 年以來的近 10 年時(shí)間內(nèi)，一直專注于仿生眼的突破性研究。

不久前，范智勇團(tuán)隊(duì)在國際頂級(jí)科學(xué)期刊《自然》（Nature）雜志上發(fā)表的一篇題為 “A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina” 的論文中，提出了一種 “新型納米線球形仿生眼” 的概念，這一研究成果得到了業(yè)界同行專家的高度認(rèn)可，被評(píng)述為 “過去幾十年來仿生眼開發(fā)的重要突破”。

論文的第一作者、香港科技大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系顧磊磊博士告訴 DeepTech，人眼功能之所以遠(yuǎn)超現(xiàn)有的成像設(shè)備，一個(gè)重要原因是其不同尋常的球狀結(jié)構(gòu)，“但當(dāng)前的半導(dǎo)體制造基于平面工藝，無法加工此種球面器件”。

在范智勇、顧磊磊等人的工作中，他們打破常規(guī)，將柔軟的鋁沖壓為半球狀，采用一種 “陽極氧化” 的技術(shù)將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)形狀的多孔氧化鋁納米模板，之后采用化學(xué)氣相沉積的方法將納米線長在納米孔道內(nèi)，從而形成高密度、半球狀分布的半導(dǎo)體納米線陣列，用以模仿核心視網(wǎng)膜，之后配合離子液體、液態(tài)金屬等新型材料，結(jié)合 3D 打印等新興科技，成功制備出球形電化學(xué)仿生眼，這一突破性方法有望使機(jī)器和人獲得接近人眼的高性能視覺。

對(duì)此，范智勇表示，該仿生眼不僅可以用做義眼（即人工植入假眼）幫助視覺殘障人士重獲光明，在手機(jī)、相機(jī)、無人機(jī)和自動(dòng)駕駛等諸多領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛。

此外，該仿生眼還可以用來提升智慧城市的整體智能化水平?！跋啾扔诋?dāng)前主流的平面攝像頭，球形仿生眼的成像效果更好，可以提高輸入數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量，進(jìn)一步提高 AI 系統(tǒng)輸出信息的豐富度與準(zhǔn)確性，而且由于數(shù)據(jù)整體質(zhì)量提高，AI 系統(tǒng)的算法也可以更加簡化，從而降低開發(fā)成本。” 顧磊磊說。

在航空航天領(lǐng)域，仿生眼也能發(fā)揮它的價(jià)值。航天器對(duì)自身的體積重量有嚴(yán)格的要求，如果使用傳統(tǒng)相機(jī)，要達(dá)到超廣角甚至 360° 全景成像，需要使用很多鏡頭組，或者像火星車一樣，使用少量攝像頭但需要大范圍旋轉(zhuǎn)，前者需要更多攝像頭，后者需要馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，兩種方案無疑都會(huì)增加航天器的能耗和重量。范智勇表示，“球形仿生眼，尤其是仿生復(fù)眼，視角接近 360°，以之取代平面攝像頭，可以大大簡化鏡頭的設(shè)計(jì)，降低整體質(zhì)量和體積?！?/p>

此外，在范智勇看來，由于仿生眼所用材料的光譜響應(yīng)范圍比人眼的光譜響應(yīng)范圍更寬廣，人類借助仿生眼甚至可以看到紅外線和紫外線。

他告訴 DeepTech，大疆創(chuàng)新的無人機(jī)、港科大的自動(dòng)駕駛項(xiàng)目、商湯科技的機(jī)器視覺研究和華為的手機(jī)攝像頭，都可能是 “仿生眼” 的潛在應(yīng)用場(chǎng)景，目前正在探討具體的合作方式。

有望打破國外技術(shù)壟斷

“仿生眼是一個(gè)特殊的光電探測(cè)器件?！?范智勇說。

一直以來，范智勇都始終聚焦于做發(fā)光器件和光電探測(cè)器件等光電研究，他的另一個(gè)身份，是先進(jìn)顯示與光電子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的成員。

早在 2011 年，范智勇就想基于人眼的生物學(xué)特征創(chuàng)造一種全新的光電器件，但因?yàn)檫@一 “非常科幻” 的想法在當(dāng)時(shí)面臨著太多的挑戰(zhàn)，并沒有迅速推進(jìn)下去。2011-2016 年間，范智勇和其學(xué)生顧磊磊在這方面做了很多基礎(chǔ)性工作，才逐漸有了一些技術(shù)積累和科研成果，仿生眼的研究就這樣慢慢起步了。如今，他們已經(jīng)做出了仿生眼的原型，當(dāng)初來自科幻電影的夢(mèng)想正慢慢得以實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)前，他們正致力于推動(dòng)仿生眼在機(jī)器視覺提升和人眼視覺障礙治療等方面的應(yīng)用。

他們希望可以從科幻電影中獲得靈感，真正地把仿生眼用在機(jī)器人上。與人眼一樣，球狀仿生眼不僅可以快速轉(zhuǎn)動(dòng)，還具有 150-160° 的視角，同時(shí)也能避免人眼中由于視網(wǎng)膜倒裝造成的光損失及盲點(diǎn)問題。從理論上講，仿生眼的成像效果要優(yōu)于當(dāng)前的手機(jī)攝像頭和廣角相機(jī)，能以更大角度采集場(chǎng)景數(shù)據(jù)，在機(jī)器人、無人機(jī)、無人駕駛等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

同時(shí)，他們也在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，仿生眼同樣可以用來造福人類。

來自世界衛(wèi)生組織（WHO）等機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，全球范圍內(nèi)已有 50 多億眼科疾病患者，其中中國有 10.8 億；目前全球眼科市場(chǎng)規(guī)模超過了 500 億美元，中國的眼科市場(chǎng)總體規(guī)模已經(jīng)由 2015 年的近 1000 億人民幣增長到了 2019 年的 1700 億人民幣，年化增長率高達(dá) 14% 左右。

可見，當(dāng)前全盲、半盲和視覺殘障人士對(duì)仿生眼有著非常急切的需求。

人工視網(wǎng)膜是 “仿生眼” 的核心部件，對(duì)于一些與老齡化相關(guān)的疾病，比如因視網(wǎng)膜內(nèi)的視細(xì)胞退化不能產(chǎn)生有效的電刺激，進(jìn)而無法產(chǎn)生神經(jīng)信號(hào)，當(dāng)前的解決方法是，把人工視網(wǎng)膜貼到人的視網(wǎng)膜的前面或者后面，用電極或光電探測(cè)器替代視細(xì)胞產(chǎn)生電刺激，進(jìn)而產(chǎn)生神經(jīng)信號(hào)，最終傳遞到大腦。但是，當(dāng)前國內(nèi)眼科類手術(shù)中所使用的技術(shù)和設(shè)備基本上都來自國外，我國的原創(chuàng)技術(shù)較少。更重要的是，即使是國外的器件，手術(shù)后視覺恢復(fù)效果也并不好。

范智勇希望，他們的研究可以幫助這些眼病患者修復(fù)視網(wǎng)膜甚至取代整個(gè)眼球，同時(shí)也希望他們做出的仿生眼具有同等甚至超越人眼的功能。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，目前他們做出的仿生眼，響應(yīng)速度比人眼快一倍，最高分辨率可達(dá)人眼的 6 倍，且這一半導(dǎo)體器件的靈敏度還可以繼續(xù)提高。

在與中國內(nèi)地和中國香港的醫(yī)生認(rèn)真討論后，他們將納米線陣列放在視網(wǎng)膜前面或后面，通過納米線陣列本身產(chǎn)生的電壓信號(hào)或電流信號(hào)來刺激人體受損的感光細(xì)胞。

如果眼球已經(jīng)完全壞掉，他們將來會(huì)采取腦機(jī)接口等更激進(jìn)的方法，直接使用人工眼替代眼球，通過金屬導(dǎo)線與金屬電極陣列相連，貼在視神經(jīng)中樞上，形成直接刺激。

目前，美國和德國開發(fā)的人工視網(wǎng)膜，由于效果差、費(fèi)用高，實(shí)際采用的人比較少?！胺律鄣牟牧铣杀竞艿停鋵?shí)可以忽略不計(jì)，但目前在美國或德國做一次的成本大概為 100 萬人民幣，我們有信心把這個(gè)數(shù)字降低?！?范智勇說。

增強(qiáng)視覺的“隱形眼鏡”或最早獲得應(yīng)用

盡管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的突破，也得到了業(yè)界專家的高度認(rèn)可，但在顧磊磊看來，這一研究還處于非常早期的階段，仍需進(jìn)一步開展大量的基礎(chǔ)工作。“之前的工作只是相當(dāng)于把架子搭起來，建立一個(gè)模型，內(nèi)部的材料、器件結(jié)構(gòu)還沒優(yōu)化，目前還只是黑白色的成像效果，仍需繼續(xù)添加人眼可觀察的紅綠藍(lán)和動(dòng)物能看到的紫外線和紅外線?！?/p>

顧磊磊表示，用于機(jī)器的仿生眼理論上的分辨率可以做得很大，只需提高納米線的密度就可以，但目前后端電極部分的密度還不夠大，像素的總體密度也不夠大，成像分辨率還不夠高，之后可以把電極做小、做細(xì)。另外，在算法層面，如果有足夠多的像素點(diǎn)，就會(huì)產(chǎn)生足夠量的數(shù)據(jù)，但如何有效收集、如何高效處理這些數(shù)據(jù)，還需要在 AI 算法方面繼續(xù)做優(yōu)化，從而達(dá)到或超過人眼水平；如果要作為人工視網(wǎng)膜植入人眼，他們還需要測(cè)試改進(jìn)材料的生物相容性和電化學(xué)穩(wěn)定性，目前正在準(zhǔn)備開展相關(guān)的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。

范智勇也認(rèn)為，人人都能佩戴仿生眼的時(shí)刻，還遠(yuǎn)未到來。

“也許大概在 10 年之后，我們就可以通過佩戴類似于隱形眼鏡一樣的器件獲得視覺增強(qiáng)的功能，可以看到紅外線、紫外線，可以獲得高分辨率、高解析度的圖像，但要實(shí)現(xiàn)人人都可移植仿生眼的科幻夢(mèng)，還需要很長時(shí)間，即使在技術(shù)上得以實(shí)現(xiàn)，也還需要考慮一些法律、法規(guī)問題?！?/p>

如今，他們已經(jīng)制定了一個(gè) 10 年計(jì)劃，5 年內(nèi)完成體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，之后 5 年完成人體實(shí)驗(yàn)。至于成本，范智勇認(rèn)為，將取決于他們?cè)谖磥?10 年中投入了多少資金，有多少人使用這項(xiàng)技術(shù)，而后者又取決于這項(xiàng)技術(shù)相比于美國和德國的技術(shù)是否更好用，“用的人多了，單個(gè)成本也就低了。當(dāng)然，我們可能會(huì)成功，也可能會(huì)失敗?！?/p>

但正是顧磊磊近幾年在這一領(lǐng)域做出的基礎(chǔ)性研究成果，讓我們離實(shí)現(xiàn)仿生眼這一科幻夢(mèng)更接近了一些。

“我來自不足 300 人的小山村”

顧磊磊出生在一個(gè)不足三百人的小山村，在他的印象里，那里有山無水、有草無路?！拔业那髮W(xué)生涯開始于一座小廟改成的小學(xué)里，三個(gè)年級(jí)的二十個(gè)人擠在一個(gè)小教室里上課，教室與戲臺(tái)共用一個(gè)院子，每年村里唱大戲時(shí)，因?yàn)樵鹤訒?huì)被來看戲的觀眾占滿，我們就會(huì)被迫停課?！?但就算這樣，顧磊磊還是沖出了小山村來到了上海，在復(fù)旦大學(xué)完成了 7 年的學(xué)生生涯。

“2010 年，范智勇教授來復(fù)旦大學(xué)做講座，一個(gè)個(gè)精妙的想法、一個(gè)個(gè)新穎的器件完全顛覆了我的認(rèn)知。碩士畢業(yè)后，我就加入了范教授的團(tuán)隊(duì)，從博士到博士后，一直在跟隨范教授做仿生眼的研究?！?顧磊磊說。

從碩士開始，顧磊磊一直聚焦于一維納米結(jié)構(gòu)或材料的傳感器研究，至今已經(jīng)超過十年?！安煌A段都有不同的側(cè)重點(diǎn)，總體趨勢(shì)是在推動(dòng)納米線傳感器向高性能、實(shí)用化的方向發(fā)展?！?/p>

碩士期間主要研究方向?yàn)橐痪S納米結(jié)構(gòu)氣敏傳感器。在這時(shí)期主要研究單根納米線器件的氣敏性質(zhì)。通過材料修飾、器件設(shè)計(jì)得到高性能氣敏器件，但這些器件多為分立的單個(gè)器件。代表成就為制備了 ZnO/TiO 核殼結(jié)構(gòu)高性能濕度傳感器。

讀博期間，開始注重集成這一問題，主要研究基于一維集成納米結(jié)構(gòu)的新型光電子學(xué)?！凹{米線性能優(yōu)越，文獻(xiàn)中也報(bào)道了很多高性能納米線器件，但由于缺乏有效的手段對(duì)納米線進(jìn)行排列集成，所得器件的密度低、器件與器件之間差異大，無法實(shí)用?！?為解決這一瓶頸問題，我開始直接生長排列整齊的納米線陣列，并將其組裝成集成的光電器件?！边@一階段的代表成就為制備了集成 1024 個(gè)像素點(diǎn)的基于三維納米線陣列的圖像傳感器。

在博士后階段，顧磊磊則專注于基于納米結(jié)構(gòu)的仿生光電子學(xué)。他希望將生物體中經(jīng)過數(shù)百萬年自然選擇的獨(dú)特性質(zhì)與現(xiàn)代納米科技結(jié)合起來，從而治療某些生理疾病或進(jìn)一步提高器件的性能。代表成就為基于納米線陣列的球形電化學(xué)仿生眼。

顧磊磊表示，之后他將開始獨(dú)立的科研生涯，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)繼續(xù)深扎這一領(lǐng)域。