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06-17
揭晓了仿生眼领域的重大突破，除了角膜移植、脑电图技术、仿生眼之外，还可以帮助视障人士重见光明的技术。
2016年，来自美国明尼苏达州的68岁男子艾伦·兹德拉德(Allen Zderad)在失明10年后，凭借一双“仿生眼”重见光明。
必须说，仿生眼给了我们希望，但距离还比较遥远——其中的难点之一在于眼镜的球面结构和视网膜。
近日，来自香港科技大学电气与计算机工程系、美国加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系、材料科学部的范智勇团队的一组研究人员美国劳伦斯伯克利国家实验室提出了针对视网膜问题的最新解决方案。
2019年5月20日，该团队题为《具有半球钙钛矿纳米线阵列视网膜的仿生眼》的论文在线发表在《自然》杂志上。
具有半球形视网膜的电化学眼与相机中的平面图像传感器相比，人眼具有自然巧妙的光学布局：球形视网膜减少了通过镜头的光量，从而突出了焦点。
它具有宽视场、高分辨率、低像差、高灵敏度等特殊的图像感知特性。
然而，研制出满足上述特点的仿生眼并不容易。
研究团队的计划是设计一种高密度（密度高达4.6×10-8 cm-2，远高于人类视网膜中10-7 cm-2的感光器密度）纳米线阵列，电化学眼EC- EYE（EyeroChemical EYE）具有半球形视网膜，旨在模仿人眼视网膜上的感光器。
具体结构和操作方法如下：如上图所示，镜片（Lens）固定在仿生眼的小孔上。
仿生眼由正面的金属外壳（铝壳）、背面的人工视网膜（Retina）和中间的离子液体组成。
这项研究最重要的突破是背面的半球形视网膜。
从上图中可以清楚地看到，密集排列的感光纳米线（Nanowires，模拟人类视网膜中的感光细胞）被固定在一个氧化铝薄膜（铝壳）孔上。
聚合物插座用于固定视网膜并确保纳米线和背面的液态金属线之间的电接触。
液态金属线通过将信号从纳米线传输到外部电路进行信号处理来模拟神经纤维。
仿生眼领域的重大突破。
那么基于这样的设计，它的效果是什么呢？ 【设计的艺术形象】论文中，通过重建投射到设备上的光学图案，研究团队演示了仿生眼的图像传感功能，发现这款仿生眼可以说比之前的一些设计要更好。
它的突出之处主要表现在以下几个方面：与人眼结构高度相似，视场角可达°。
相比之下，静态人眼的垂直视场约为°。
人工视网膜可以检测到的光强度范围为每立方厘米0.3微瓦到每平方厘米50毫瓦，范围很广。
在最低强度下，人造视网膜中的每根纳米线平均每秒检测 86 个光子，这与人类视网膜中感光器的灵敏度相当。
雷锋网了解到，这一特性主要在于用于制造纳米线的钙钛矿材料。
事实上，钙钛矿化合物在创造各种光电和光子应用方面具有巨大潜力。
特别是，研究团队使用的钙钛矿是甲脒碘化铅，选择它的原因是其优异的光电性能和良好的稳定性。
当纳米线阵列受到规则的快速光脉冲刺激时，它可以在19.2毫秒内快速响应脉冲产生电流，并在结束时最快23.9毫秒内恢复（即返回到其非电流状态）的脉冲。
活动状态）。
据了解，响应和恢复时间是一组重要的参数，用于确定仿生眼对光信号的响应速度。
事实上，人眼视网膜中感光器的响应和恢复时间在 40 毫秒范围内。
该设计承诺比人眼具有更高的分辨率，因为纳米线密度可以增加到人类感光器密度的10倍以上。
同时，这种仿生眼也面临一些挑战：光传感器阵列只有10×10个像素，像素之间存在约μm的间隙，这意味着光检测区域只有约2mm宽。
此外，制造过程中的某些步骤成本高昂且不适合大规模生产。
为了提高视网膜的分辨率性能，需要减小液态金属线的尺寸。
目前其外径约为微米，但理想情况下应与纳米线的直径（几微米的数量级）相当。
人工视网膜的使用寿命还需要进一步测试。
研究团队表示，运行9小时后性能没有明显下降，但其他电化学装置的性能可能会恶化。
在离子液体浓度较高时，响应和恢复时间将受到影响，需要进一步优化。
但客观地说，这一设计是近几十年来仿生眼领域的重大突破。
雷锋网指出，其突破不仅在于仿生眼模仿人眼，还在于模仿昆虫复眼等结构。
基于本研究取得的进展，仿生光敏器件可以进一步优化。
未来十年，可以说仿生眼在消费电子、机器人等广泛场景的应用指日可待。
正如论文共同作者之一范志勇教授所说：我们希望进一步提高生物相容性、稳定性等方面。
我认为如果一切按计划进行，这项技术有潜力在5年内实现商业化。
关于作者 如上所述，香港科技大学电子与计算机工程系的 范智勇 团队参与了这项研究。
据香港科技大学官网显示，范智勇教授团队迄今已在顶级期刊发表多篇研究论文，引用次数达18次。
范智勇教授分别于2007年和2011年获得复旦大学物理电子学学士和硕士学位，2007年获得加州大学欧文分校材料科学博士学位。
2006年，范智勇教授在复旦大学物理电子学系担任博士后研究员。
加州大学伯克利分校和美国劳伦斯伯克利国家实验室的电气工程和计算机科学专业。
2019年5月，范智勇教授加入香港科技大学，担任电子及计算机工程系副教授。
此外，他还是自然出版集团开放获取期刊《科学报告》的编委会成员和Springer《纳米研究快讯》的副主编。
范智勇教授还担任《自然材料》、《自然纳米技术》、《自然通讯》、《纳米通讯》、《ACS 纳米》、《先进材料》、《能源与环境科学》、《应用化学》、《ieee edl》等杂志的审稿人。
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