[科普中國(guó)]-香港科大設(shè)計(jì)出世界首個(gè)3D人工眼球，比人眼看得更遠(yuǎn)更清楚

眼睛是人類(lèi)最重要的傳感器官之一，通過(guò)視覺(jué)，人才能感知外界物體的大小、明暗、顏色、動(dòng)靜，獲得對(duì)機(jī)體生存具有重要意義的各種信息。人類(lèi)大腦中，大約有80%的知識(shí)和記憶都是通過(guò)眼睛獲取的，視覺(jué)是人和動(dòng)物最重要的感覺(jué)。

視覺(jué)如此重要，失明不但會(huì)給患者帶來(lái)嚴(yán)重的生活障礙，還給家庭和社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。

好消息是，由香港科技大學(xué)(HKUST)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了世界上首款3D人工眼，這款「電化學(xué)仿生眼」，首次復(fù)制了人眼的曲面結(jié)構(gòu)，為視覺(jué)類(lèi)人機(jī)器人和視力障礙患者帶來(lái)了新希望。

圖片來(lái)源：http://ngdsb.hinews.cn/html/2008-03/16/content_7684.htm

令人好奇的是，人造眼球真的能讓盲人像正常人一樣看清世界嗎？它又是怎樣工作的呢？這一切，還要從眼球的結(jié)構(gòu)說(shuō)起。

不是所有的人工眼，都能讓人看清世界

要了解人工眼，先要了解真正眼球的結(jié)構(gòu)。

眼睛有三層外套，由三個(gè)透明的結(jié)構(gòu)包覆著組成。最外層由角膜和鞏膜組成，中間的一層由脈絡(luò)膜、睫狀體、和虹膜組成。最內(nèi)層是視網(wǎng)膜，如同從眼膜曲率鏡看見(jiàn)的視網(wǎng)膜血管，它從脈絡(luò)膜的血管獲得循環(huán)。在這些外套內(nèi)的是房水、玻璃體、和柔韌的晶狀體。

房水又稱(chēng)水樣液，是一種清澈的液體，包含在兩個(gè)區(qū)域：晶狀體暴露的區(qū)域、角膜和虹膜中間的眼前房。透明的細(xì)纖維組成睫狀體懸吊韌帶 （睫狀小帶），將晶狀體懸吊起來(lái)。玻璃體、眼后房是比眼前房大的清澈膠狀物，位置在晶狀體的后面和其余的地區(qū)，包覆在鞏膜、小帶和晶狀體的周?chē)?/p>

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眼球的結(jié)構(gòu)我們已經(jīng)知道了，那眼睛是如何帶來(lái)了視覺(jué)呢？

視覺(jué)是通過(guò)眼睛接受外界環(huán)境中一定頻率范圍內(nèi)的電磁波刺激，經(jīng)中樞有關(guān)部分進(jìn)行編碼加工和分析后獲得的主觀感覺(jué)。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，人的眼球是通過(guò)對(duì)光進(jìn)行反應(yīng)，從而獲得視覺(jué)的。

人的眼球可分為感光細(xì)胞（視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞）的視網(wǎng)膜和折光系統(tǒng)（角膜、房水、晶狀體和玻璃體）兩部分。光通過(guò)折光系統(tǒng)在視網(wǎng)膜上成像，經(jīng)視神經(jīng)傳入到大腦視覺(jué)中樞，就可以分辨所看到的物體的色澤和分辨其亮度，從而可以看清視覺(jué)范圍內(nèi)的發(fā)光或反光物體的輪廓、形狀、大小、顏色、遠(yuǎn)近和表面細(xì)節(jié)等情況。

視覺(jué)的形成原理

人眼的視野大約是向外95°、向內(nèi)60°、向上60°、向下75°。視神經(jīng)的缺陷或是盲點(diǎn)位于顳部12–15°、水平向下1.5°處，大約是7.5°高和5.5°寬。

圖片來(lái)源： https://medium.com/@nuralchoudhury/fui-yes-fui-7802862b1e01

從眼球的結(jié)構(gòu)和視覺(jué)形成過(guò)程來(lái)看，人造眼球最關(guān)鍵的技術(shù)就是視網(wǎng)膜?？茖W(xué)家們一直致力于創(chuàng)造出媲美人類(lèi)的視網(wǎng)膜，實(shí)現(xiàn)真正的仿生視覺(jué)。

不過(guò)，由于球形人眼的曲面太難模仿，目前在醫(yī)院使用的由平面集成電路芯片實(shí)現(xiàn)的人工眼睛只能模擬部分人類(lèi)視網(wǎng)膜，以提供模糊的視覺(jué)效果?？茖W(xué)家們已經(jīng)花費(fèi)了數(shù)十年的時(shí)間來(lái)嘗試復(fù)制生物眼睛的結(jié)構(gòu)和清晰度，但是現(xiàn)有義眼所提供的視覺(jué)(主要是通過(guò)外部電纜連接的眼鏡的形式)在2D平面圖像傳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？

隨著技術(shù)的發(fā)展，香港科技大學(xué)(HKUST)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一款3D人工眼，這款「電化學(xué)仿生眼」用納米線(xiàn)和外部電子電路在曲面上實(shí)現(xiàn)了高密度傳感器，首次復(fù)制了人眼的曲面結(jié)構(gòu)。

這款電化學(xué)眼最主要的突破，是創(chuàng)造了一個(gè)3D立體人造視網(wǎng)膜。這款人造視網(wǎng)膜上裝有大量納米線(xiàn)感光器，用來(lái)模擬人類(lèi)視網(wǎng)膜中的感光細(xì)胞。在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)以液態(tài)金屬線(xiàn)模擬人類(lèi)眼球后的神經(jīng)線(xiàn)，將納米線(xiàn)感光器與人造半球形視網(wǎng)膜后面一束束的金屬線(xiàn)連接在一起，成功復(fù)制了視覺(jué)訊號(hào)的傳輸，將電化眼所看到的影像投射到了計(jì)算機(jī)屏幕上。

電化學(xué)眼工作過(guò)程

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電化學(xué)仿生眼

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科大研發(fā)的電化學(xué)仿生眼（EC-Eye）的結(jié)構(gòu)

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人造視網(wǎng)膜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止“看見(jiàn)光明”這么簡(jiǎn)單

人造視網(wǎng)膜不僅可以拯救盲人的視力，它的功能比人眼更加強(qiáng)大。

首先，它消除了視覺(jué)盲點(diǎn)的問(wèn)題。由于人眼的視神經(jīng)是在視網(wǎng)膜前面，人眼感光細(xì)胞所收集到的訊號(hào)，會(huì)先聚集在視網(wǎng)膜的一點(diǎn)，再?gòu)囊暰W(wǎng)膜前方往后傳送到大腦，如果一個(gè)物體的像剛好落在這個(gè)點(diǎn)上就會(huì)看不到，稱(chēng)為盲點(diǎn)。

盲點(diǎn)形成示意圖

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這個(gè)問(wèn)題，電化學(xué)眼就可以解決。在人造視網(wǎng)膜上，由于每個(gè)散布在上面的感光器，都可獨(dú)立透過(guò)其后方連接的液態(tài)金屬線(xiàn)將訊號(hào)傳送至大腦，無(wú)需經(jīng)過(guò)視網(wǎng)膜的某一點(diǎn)，因而消除了盲點(diǎn)的問(wèn)題。

不僅如此，電化學(xué)眼還有很多開(kāi)了外掛的功能，比如夜視和紅外。我們都知道，人眼在夜里是看不到的，但電化學(xué)眼只要使用不同的材料來(lái)提高感光器的敏感度及可視光譜范圍，就可以擁有夜視等功能。

除此之外，就像我們看視頻分為高清和非高清的分辨率，電化學(xué)眼也可以實(shí)現(xiàn)更高成像分辨率。研究人員將傳感器之間的距離縮小到3微米，在人造視網(wǎng)膜上的傳感器是真人眼睛的30倍，而由于納米線(xiàn)感光器在人工視網(wǎng)膜的密度比人類(lèi)視網(wǎng)膜中的感光細(xì)胞更高，如果將來(lái)每個(gè)納米線(xiàn)感光器都能與視覺(jué)神經(jīng)線(xiàn)連接，人工視網(wǎng)膜將能接受更多光訊號(hào)，可以比人類(lèi)視網(wǎng)膜具有更高解像度的潛力。

更厲害的是，與其他仿生眼相比，這個(gè)新開(kāi)發(fā)的電化學(xué)眼無(wú)須外設(shè)電池。3D人造眼的運(yùn)作原理涉及一種太陽(yáng)能電池中的電化學(xué)反應(yīng)程序。原則上，人造視網(wǎng)膜上的每個(gè)感光器都可以像納米太陽(yáng)能電池一樣，將光能轉(zhuǎn)化為電能維持機(jī)械運(yùn)作。經(jīng)進(jìn)一步改良，電化學(xué)眼可成為能自我供電的圖像傳感器，用作人造眼科義體時(shí)，無(wú)需依靠外部電源或電路，與現(xiàn)時(shí)的技術(shù)相比，將更為方便應(yīng)用。

這種電化學(xué)眼，將來(lái)不但可以滿(mǎn)足視力受損者的需要，還可以應(yīng)用于醫(yī)療機(jī)器人中，實(shí)現(xiàn)照顧病人等一系列的功能。

參考文獻(xiàn)：

1、HKUST Scientists Develop World's First Spherical Artificial Eye with 3D Retina

http://www.ust.hk/news/research-and-innovation/hkust-scientists-develop-worlds-first-spherical-artificial-eye-3d

2、Artificial eye boosted by hemispherical retina， Gu， L.， Poddar， S.， Lin， Y. et al. A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina. Nature 581， 278-282 (2020).

https：//doi.org/10.1038/s41586-020-2285-x31

3、Human Factors: The Blind Spot

http://learntoflyblog.com/2017/01/09/human-factors-the-blind-spot/