人造眼不再科幻：部分能力比人眼更强大
机器之心机器之心报道参与：泽南、魔王、杜伟“人造眼”把大量纳米级光传感器整合到半球形视网膜状组件中 ， 这套设备的一些能力已经与生物眼相当了 。 科学家们还表示 ， 理论上这种设计可实现比人眼更高的分辨率 。
很多科幻小说中经常会出现使用仿生眼球的机器人 ， 或者直连大脑、让盲人重获视力的人造眼 。 为了开发这样的设备 ， 科学家多年来做出了很多努力 ， 但是制造球形的人类眼球——特别是半球形视网膜 ， 一直是技术上难以实现的挑战 ， 严重阻碍了人造眼实现的进程 。在今天刚刚出版的《自然》杂志上 ， 香港科技大学顾磊磊（Leilei Gu）、范智勇等人在论文《A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina》中提出了一种创新的凹半球「视网膜」 ， 迅速引来了多家媒体的报道 。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2285-x这种视网膜由模仿人类视网膜中感光细胞的纳米级光电传感器阵列组成 。 研究者使用基于这套设备的电化学人造眼 ， 在多项测试中与人眼进行对比 ， 发现「人造眼」已具有获取图像图案的基本能力 。人眼带有半球形视网膜 ， 与普通摄像头的平面感光元件相比显然更加精巧：视网膜的圆顶天然趋向于光线集中 ， 让穿过人眼晶体的光线焦点清晰 。 这种自然演化出来的结构具有视场宽、分辨率高、对光高度敏感的特点 ， 而在半球形视网膜上还分布着大量视细胞——每平方厘米约有 1000 万个 。顾磊磊等人的仿生电化学眼的核心组件是用作视网膜的高密度光电传感器阵列 。 光电传感器直接部署在由氧化铝（Al2O3）制成的半球形膜上 。
图 1：仿生人造眼 。用液态金属（共晶镓-铟合金）做成的纤细灵活的线被封进软橡胶管里 ， 这些线将信号从纳米线光传感器传输到外部电路 ， 以进行信号处理 。 这些线模拟连接人眼和大脑的神经纤维 。 液态金属线和纳米线之间的铟层可以改善两者之间的电接触 。 将人造视网膜放进由硅聚合物做成的眼窝中 ， 确保金属线和纳米线之间完美对齐 。结合了人工虹膜的晶状体被放置在该设备的前端 ， 就像人眼一样 。 背侧的视网膜和前端的半球形壳体结合起来 ， 形成球形电离室（即「眼球」） ， 前侧的半球形壳体由铝和钨膜制成 。 电离室内充满离子液 ， 用以模仿玻璃体 ， 即填充人眼中晶状体和视网膜之间空间的胶状物质 。这种布局对于纳米线的电化学操作而言是必要的 。 人造眼和人眼的整体结构相似性使得顾磊磊等人的设备具备 100° 的宽视场 ， 静态人眼的垂直视场大约为 130° 。第一版「人造眼」又被称为 EC-EYE ， 它的结构细节是这样的：
看起来已经很符合人类眼球的画风了 。顾磊磊及其同事制作的人造眼在结构拟态方面令人惊艳 ， 但真正令其与众不同的是 ， 它的很多感官能力能与人眼媲美 。 例如 ， 人造视网膜可以检测较大范围的光强度 ， 从每平方厘米 0.3 微瓦特到 50 毫瓦特不等 。 在最低光强度下 ， 人造视网膜中的每条纳米线平均每秒检测到 86 光子 ， 这与人眼视网膜中感光细胞的敏感度持平 。 这种敏感度来自用于制造纳米线的钙钛矿材料 。 钙钛矿化合物材料有潜力用于多种光电子和光子应用 。 顾磊磊等人使用的钙钛矿材料是甲脒铅碘化物 ， 具备出色的光电属性和稳定性 。
在人造眼中 ， 一个像素是如何生成的 。纳米线对于可见光谱的所有频率具备几乎一致的灵敏度（灵敏度用于度量每瓦特入射光生成的电流） 。 此外 ， 纳米线阵列受到常规快速光脉冲的刺激后 ， 会在 19.2 毫秒内做出响应生成电流——是人眼反应时间的一半 ， 然后在脉冲结束后仅需要 23.9 毫秒即可恢复（至未激活状态） 。 响应和恢复时间是重要的参数 ， 因为这两者最终决定了人造眼对光信号的响应速度 。 相比而言 ， 人眼视网膜中感光细胞的响应和恢复时间在 40 至 150 毫秒 。从某些角度来看 ， 人造眼可以改善人类的视觉：它可以接收更大范围波长的光 ， 而且因为不是自然进化出来的 ， 自然也不存在所有脊椎动物都有的 bug ， 视觉盲点 。
人类视觉系统和EC-EYE图像视觉系统的比较 。顾磊磊等人制造的人造视网膜最令人惊艳之处或许是成像的高分辨率 ， 这受益于纳米线阵列的高密度 。 在之前的人造视网膜中 ， 光感受器最初安装在平面的刚性基底上 ， 然后把它们迁移到曲面支撑面 ， 或者把基底转换为曲面 。 由于必须留足空间方便迁移或基底转换 ， 因此成像装置的密度受到了限制 。而顾磊磊等人的设备使用的纳米线是在曲面上直接形成的 ， 这使得它们可以更紧密地封装在一起 。 的确 ， 纳米线的密度高达 4.6×108cm–2 ， 这要比人类视网膜中感光细胞的密度大得多（约为 107 cm–2） 。 每根纳米线的信号也可以单独地获取 ， 但目前设备中的像素是基于 3 到 4 根纳米线形成的 。「当你试图对画面成像时 ， 实际上在透镜之后形成的图像是弯曲的 ， 一个平面传感器显然无法让图像清晰地聚焦——但目前大多数人造传感器都是刚性且平坦的 ， 」这篇论文的评审 ， 威斯康星大学电气工程教授 Hongrui Jiang 表示 。 「同时 ， 新研究部署在人造视网膜上的纳米线非常密集 ， 它与人类眼球中的感光组件密度相当 ， 甚至更高 。 」
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