世界首个3D人工眼球:电化学仿生眼 复制了人眼的曲面结构

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来源:中国科普博览

眼睛是人类最重要的传感器官之一,通过视觉,人才能感知外界物体的大小、明暗、颜色、动静,获得对机体生存具有重要意义的各种信息。人类大脑中,大约有80%的知识和记忆都是通过眼睛获取的,视觉是人和动物最重要的感觉。

视觉如此重要,失明不但会给患者带来严重的生活障碍,还给家庭和社会带来沉重的负担。

好消息是,由香港科技大学(HKUST)科学家领导的国际团队开发出了世界上首款3D人工眼,这款‘电化学仿生眼’,首次复制了人眼的曲面结构,为视觉类人机器人和视力障碍患者带来了新希望。

图片来源:http://ngdsb.hinews.cn/html/2008-03/16/content_7684.htm
图片来源:http://ngdsb.hinews.cn/html/2008-03/16/content_7684.htm

令人好奇的是,人造眼球真的能让盲人像正常人一样看清世界吗?它又是怎样工作的呢?这一切,还要从眼球的结构说起。

不是所有的人工眼,都能让人看清世界

要了解人工眼,先要了解真正眼球的结构。

眼睛有三层外套,由三个透明的结构包覆著组成。最外层由角膜和巩膜组成,中间的一层由脉络膜、睫状体、和虹膜组成。最内层是视网膜,如同从眼膜曲率镜看见的视网膜血管,它从脉络膜的血管获得循环。在这些外套内的是房水、玻璃体和柔韧的晶状体。

房水又称水样液,是一种清澈的液体,包含在两个区域:晶状体暴露的区域、角膜和虹膜中间的眼前房。透明的细纤维组成睫状体悬吊韧带 (睫状小带),将晶状体悬吊起来。玻璃体、眼后房是比眼前房大的清澈胶状物,位置在晶状体的后面和其余的地区,包覆在巩膜、小带和晶状体的周围。

眼球的结构我们已经知道了,那眼睛是如何带来了视觉呢?

视觉是通过眼睛接受外界环境中一定频率范围内的电磁波刺激,经中枢有关部分进行编码加工和分析后获得的主观感觉。从本质上来说,人的眼球是通过对光进行反应,从而获得视觉的。

人的眼球可分为感光细胞(视杆细胞和视锥细胞)的视网膜和折光系统(角膜、房水、晶状体和玻璃体)两部分。光通过折光系统在视网膜上成像,经视神经传入到大脑视觉中枢,就可以分辨所看到的物体的色泽和分辨其亮度,从而可以看清视觉范围内的发光或反光物体的轮廓、形状、大小、颜色、远近和表面细节等情况。

视觉的形成原理
视觉的形成原理

 人眼的视野大约是向外95°、向内60°、向上60°、向下75°。视神经的缺陷或是盲点位于颞部12–15°、水平向下1.5°处,大约是7.5°高和5.5°宽。
人眼的视野大约是向外95°、向内60°、向上60°、向下75°。视神经的缺陷或是盲点位于颞部12–15°、水平向下1.5°处,大约是7.5°高和5.5°宽。

从眼球的结构和视觉形成过程来看,人造眼球最关键的技术就是视网膜。科学家们一直致力于创造出媲美人类的视网膜,实现真正的仿生视觉。

不过,由于球形人眼的曲面太难模仿,目前在医院使用的由平面集成电路芯片实现的人工眼睛只能模拟部分人类视网膜,以提供模糊的视觉效果。科学家们已经花费了数十年的时间来尝试复制生物眼睛的结构和清晰度,但是现有义眼所提供的视觉(主要是通过外部电缆连接的眼镜的形式)在2D平面图像传感器的分辨率下仍然很差。

世界上首款3D人工眼是如何工作的?

随着技术的发展,香港科技大学(HKUST)科学家领导的国际团队开发出了一款3D人工眼,这款‘电化学仿生眼’用纳米线和外部电子电路在曲面上实现了高密度传感器,首次复制了人眼的曲面结构。

这款电化学眼最主要的突破,是创造了一个3D立体人造视网膜。这款人造视网膜上装有大量纳米线感光器,用来模拟人类视网膜中的感光细胞。在实验中,团队以液态金属线模拟人类眼球后的神经线,将纳米线感光器与人造半球形视网膜后面一束束的金属线连接在一起,成功复制了视觉讯号的传输,将电化眼所看到的影像投射到了计算机屏幕上。

 电化学眼工作过程
 电化学眼工作过程

电化学仿生眼
电化学仿生眼

科大研发的电化学仿生眼(EC-Eye)的结构
科大研发的电化学仿生眼(EC-Eye)的结构

  人造视网膜,远远不止“看见光明”这么简单

人造视网膜不仅可以拯救盲人的视力,它的功能比人眼更加强大。

首先,它消除了视觉盲点的问题。由于人眼的视神经是在视网膜前面,人眼感光细胞所收集到的讯号,会先聚集在视网膜的一点,再从视网膜前方往后传送到大脑,如果一个物体的像刚好落在这个点上就会看不到,称为盲点。

盲点形成示意图
盲点形成示意图

这个问题,电化学眼就可以解决。在人造视网膜上,由于每个散布在上面的感光器,都可独立透过其后方连接的液态金属线将讯号传送至大脑,无需经过视网膜的某一点,因而消除了盲点的问题。

不仅如此,电化学眼还有很多开了外挂的功能,比如夜视和红外。我们都知道,人眼在夜里是看不到的,但电化学眼只要使用不同的材料来提高感光器的敏感度及可视光谱范围,就可以拥有夜视等功能。

除此之外,就像我们看视频分为高清和非高清的分辨率,电化学眼也可以实现更高成像分辨率。研究人员将传感器之间的距离缩小到3微米,在人造视网膜上的传感器是真人眼睛的30倍,而由于纳米线感光器在人工视网膜的密度比人类视网膜中的感光细胞更高,如果将来每个纳米线感光器都能与视觉神经线连接,人工视网膜将能接受更多光讯号,可以比人类视网膜具有更高解像度的潜力。

更厉害的是,与其他仿生眼相比,这个新开发的电化学眼无须外设电池。3D人造眼的运作原理涉及一种太阳能电池中的电化学反应程序。原则上,人造视网膜上的每个感光器都可以像纳米太阳能电池一样,将光能转化为电能维持机械运作。经进一步改良,电化学眼可成为能自我供电的图像传感器,用作人造眼科义体时,无需依靠外部电源或电路,与现时的技术相比,将更为方便应用。

这种电化学眼,将来不但可以满足视力受损者的需要,还可以应用于医疗机器人中,实现照顾病人等一系列的功能。

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