在科幻小說或電影中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這樣的情節(jié)，通過人造眼睛的機(jī)器人可以精準(zhǔn)識(shí)別打擊目標(biāo)，完成人類無法完成的任務(wù)，或通過人造眼睛恢復(fù)盲人的視力。
事實(shí)上，這種畫面不僅出現(xiàn)在科幻小說中，在現(xiàn)實(shí)中，許多科學(xué)家也都在致力于仿生眼的研發(fā)，不過如何制造適合人類的仿生眼，尤其是人造視網(wǎng)膜的研發(fā)嚴(yán)重限制了仿生眼的發(fā)展。
而在本周《自然》發(fā)表的一篇論文中，由香港科技大學(xué)范智勇教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，成功開發(fā)了一種可以媲美人類視網(wǎng)膜的人工視網(wǎng)膜，由該視網(wǎng)膜組成的仿生眼在某些情況下甚至比人眼看的更清楚。
高密度人工視網(wǎng)膜
對于地球上的絕大部分生物來說，眼睛都是最重要的傳感器官，尤其是人類，大約 80% 的環(huán)境信息都是通過眼睛獲取。
人眼具有視場寬、分辨率高以及對光高度敏感的特點(diǎn)，這一切都源于半球形的視網(wǎng)膜和大量的視細(xì)胞——每平方厘米約 1000 萬個(gè)。模仿這些特點(diǎn)來創(chuàng)造人工仿生眼是機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)焦點(diǎn)，對于開發(fā)視覺假體裝置具有重要意義。但是，視網(wǎng)膜的形狀和構(gòu)成使人工視網(wǎng)膜的制造頗具挑戰(zhàn)性。
而要想媲美人眼的功能，理論上，仿生眼的各種結(jié)構(gòu)都要和人眼類似，尤其是半球形視網(wǎng)膜。在人眼中，這種半球形的結(jié)構(gòu)可以有效補(bǔ)償成像差異，從而降低成像的復(fù)雜性。因此，要想開發(fā)優(yōu)秀的仿生眼，必須先要有優(yōu)秀的人工視網(wǎng)膜。
由于納米傳感器直接被集成在曲面上，這讓它們可以實(shí)現(xiàn)更緊密的排列。得益于此，人工視網(wǎng)膜上的納米傳感器密度高達(dá) 4.6×10^8cm^2，遠(yuǎn)高于人類視網(wǎng)膜上感光細(xì)胞的密度（約 10^7cm^2）。
隨后，范智勇教授開始用這種人造視網(wǎng)膜組裝仿生眼，并進(jìn)行測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種人造視網(wǎng)膜在某些指標(biāo)上與人眼類似或比人眼更強(qiáng)大。
例如，對光的敏感度，從每平方厘米 0.3 微瓦到 50 毫瓦，這種人造視網(wǎng)膜都可以感受到；同時(shí)在最低的光強(qiáng)度下，人造視網(wǎng)膜的每個(gè)納米傳感器可以檢測到 86 個(gè)光子，與人類的視網(wǎng)膜相當(dāng)。
不僅如此，這種人工視網(wǎng)膜對于可見光譜內(nèi)所有頻率光都敏感，同時(shí)它在接受光刺激后的短短 19.2 毫秒內(nèi)作出響應(yīng)，然后在 23，9 毫秒內(nèi)恢復(fù)無效狀態(tài)，比人眼視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞 40-150 毫秒的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間要短許多。
而最令人印象深刻的是，由于人工視網(wǎng)膜中集成了大量的納米傳感器，這種視網(wǎng)膜理論上可以實(shí)現(xiàn)超過人眼的高分辨率成像。
雖然，范智勇教授的人工視網(wǎng)膜對于提升仿生眼的整體性能是一個(gè)很大的突破。但是，要將這種人工視網(wǎng)膜應(yīng)用于市場，還需要解決一些問題。首先，目前這種納米光電傳感器的像素只有 100，這也意味著，這種傳感器的光檢測區(qū)域只有 2mm。
同時(shí)，這種人工視網(wǎng)膜的制造成本較高，因?yàn)橐苯又谱髑嫒斯ひ暰W(wǎng)膜，因此在往基板上打孔集成納米傳感器的時(shí)候需要用到聚焦離子束蝕刻等昂貴加工手段，所以并不適合大規(guī)模使用。
其次，為了提高人工視網(wǎng)膜的分辨率，還需要減少液體金屬線的尺寸。目前這種液態(tài)金屬信號(hào)傳導(dǎo)線的直徑約為 700 微米，因此只能實(shí)現(xiàn)每 3-4 個(gè)傳感器連接一根液態(tài)金屬導(dǎo)線，而理想狀態(tài)下液態(tài)金屬導(dǎo)線的直徑應(yīng)該與納米線的直徑（約幾微米）相當(dāng)，從而實(shí)現(xiàn)每個(gè)傳感器連接一根導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。而減少液態(tài)金屬線的直徑是目前這項(xiàng)工作面臨的最大挑戰(zhàn)。
最后，這種人工視網(wǎng)膜的壽命還需要更多的測試。雖然，在研究過程中，這種人工視網(wǎng)膜運(yùn)行 9 小時(shí)后性能并沒有明顯變化。但是，由于電化學(xué)設(shè)備的性能都是會(huì)隨著時(shí)間的流逝而降低的，因此，有必要確定其有效期的壽命。
不過即使有一些不完美，但無可否認(rèn)這是仿生眼研發(fā)的重大進(jìn)步。正如來自美國威廉康興大學(xué)的學(xué)者 Hongrui Jiang 所說的那樣，“仿生眼不是模仿照相機(jī)，而是模仿人類復(fù)雜的眼球結(jié)構(gòu)和人機(jī)交互。范智勇教授的人工視網(wǎng)膜是過去幾十年來，仿生眼開發(fā)的重要突破。有了這些進(jìn)步，我相信，未來 10 年我們可能會(huì)親眼見著仿生眼在我們生活中的大規(guī)模應(yīng)用?！?br>
參考資料：
https://nature.com/articles/s41586-020-2285-x
https://www.nature.com/articles/d41586-020-01420-7
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