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前沿|Nature:首个完全复现人眼的仿生眼问世,港科大造出半球形人工视网膜,感光性能超过人眼460倍

发表时间:2020-05-31 12:38:00  来源:野望文存  浏览:次   【】【】【

「科学为人类带来光明」,这句话已经不再是一个比喻了。


5月20日,Nature发布了一项香港科技大学和UC伯克利的联合研究成果:采用仿生半球形视网膜结构的电子仿生眼EC-EYE。


EC-EYE的外观和内部都和人眼高度相似,同样具有透镜(晶状体)、离子液(玻璃体)、感光阵列(视网膜)、导线(视神经)等关键结构。



半球型人工视网膜是一个巨大的突破,在此之前,仿生眼研究只局限在模拟相机原理的平面成像,但其效果远不如人类本身的半球形视网膜。


Nature评价这项成果:「突破了以往模仿相机或昆虫复眼的类似研究,在医学和其他领域真正实现了可行性」,也许在未来的十几年这项技术就可以走进人们日常生活中。



EC-EYE整体结构



EC-EYE与人类的眼球结构毫无二致,由透镜(晶状体)、离子液(玻璃体)、感光阵列(视网膜)、导线(视神经)组成。

镜片与人工虹膜(光圈)结合在前部。后面的人工视网膜与前面的半球形外壳结合在一起,形成一个球形腔体(即 “眼球”)。


前半球形外壳由内衬钨丝的铝膜制成。腔内充满了一种模拟玻璃体的离子液体,这种液体是填充透镜和视网膜之间的凝胶体。被用作视网膜上纳米光敏器的前端公共触点。



由液态金属(共晶镓-铟合金)制成细而有弹性的导线,密封在软橡胶管中,将纳米线光敏器的信号传输到外部电路进行信号处理,模仿连接人眼和大脑的神经纤维。



在液态金属线和纳米线之间有一层铟,可以优化两者之间的电接触。


人工视网膜由一个由硅聚合物制成的基座固定,以确保导线和纳米光敏点之间的正确对位。



EC-EYE和人眼之间的整体结构相似性使得它拥有100°的宽广视野。相比之下,静态人眼的垂直视场大约为130°。



关键创新:人工半球形视网膜



人类的球形视网膜结构自然地减少了穿过晶状体的光的散射,从而使焦距更加清晰。


这种结构还可以直接补偿来自于弯曲焦平面的像差,降低光学系统的复杂性。这是相机的平面成像结构无法比拟的优势。


模仿人类的眼睛对人工视觉系统十分重要。特别是对于类人机器人来说,其视觉系统除了具有优越的设备特性外,还应该与人的外观相似,以实现人机友好互动。



而科研人员一直无法找到合适的材料来模拟这种结构。


目前商业化的电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器,主要采用主流的平面微细加工工艺,成品只能是平面结构。


而EC-EYE的关键创新在于采用了高密度的纳米感光材料阵列。


这种纳米感光材料使用甲脒碘化铅杂化的钙钛矿(formamidinium lead iodide perovskite)制成。


钙钛矿材料最引人注目的特性其神奇的光电性质。有机-无机杂化钙钛矿材料具有很高的消光系数、长载流子寿命,比较高而且均衡的载流子迁移率、低缺陷浓度、浅缺陷能级、高荧光量子产率、低激子束缚能等优点,非常适合用于各种光电器件。


△图d为人工视网膜主体,e为镶嵌其中的纳米材料感光点,f为甲脒碘化铅杂化钙钛矿单晶结构。


EC-EYE人工视网膜的纳米感光点密度为 4.6?×?108?cm-2,远高于人类视网膜感光密度(约为107cm-2),因此可以实现更高的图像分辨率。


EC-EYE的仿生视网膜光敏感度范围为每平方厘米0.3微瓦-50毫瓦。最低的光强度下,每个纳米传感器可以检测到86个光子,与人类的视网膜相当。且对可见光谱内所有频率的光都敏感。

接受光刺激后的短短19.2毫秒内作出响应,然后在23.9毫秒内恢复到未激活状态,这比人眼视网膜中感光细胞 40-150毫秒的响应和恢复时间短得得多。



成像装置



液态金属线通过电路板连接到由计算机控制的100×1复用器。


测量系统的设计图及相应的电路图下所示。

测试步骤:通过将光学图案投射到EC-EYE上,对图像传感功能进行检测,并记录各传感器像素的光电流。


下图显示了被成像的字符’A’及其在平面上的投影。

与基于横结构的平面图像传感器相比,EC-EYE成像具有更高的对比度和更清晰的边缘。

因为每个独立的像素与相邻的像素分界更明显。


此外装置还包括一个小的电化学图像传感器与磁微针接触,与其他光学部件一起组装成一个微型摄像机。磁微针对准技术也很好地适用于整个半球形表面。


目前这种纳米感光阵列只有10×10个像素点,像素点之间存在200微米间隙,这意味着,这种传感器的光检测区域只有 2mm。


减少液态金属线的直径是目前这项工作面临的最大挑战。


目前这种液态金属信号传导线的直径约为 700 微米,因此只能实现每 3-4 个传感器连接一根液态金属导线。


而理想状态下液态金属导线的直径应该与纳米线的直径(约几微米)相当,这样才能实现每个传感器连接一根导线,达到更高的分辨率。


此外,由于电化学设备的性能会随着时间的流逝而下降,所以这种人工视网膜的寿命还需要更多的测试。


不过即使有一些不完美,但无可否认这是仿生眼研发的重大进步。


Nature指出,仿生眼不是模仿照相机,而是模仿人类复杂的眼球结构和人机交互。这项研究所取得的进步,使人们相信,未来 10 年能亲眼见到仿生眼在生活中的大规模应用。


论文地址

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2285-x


该文章内容转载自 量子位



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责任编辑:蔡学森