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多项性能超越人眼!仿生眼领域重大突破登上

能赞助视觉受损者重见灼烁的技巧,除了角膜移植、脑电技巧、还有仿生眼。

2015 年,美国明尼苏达州一位名为 Allen Zderad 的 68 岁须眉在掉明 10 年之后,凭借一双“仿生眼”重见灼烁。

不得不说,仿生眼给了我们盼望,但也依然对照迢遥——此中的一个难点就在于眼镜的球形布局和视网膜。

而近日,来自喷鼻港科技大年夜学电子及谋略机工程学系范智勇团队、加州大年夜学伯克利分校电气工程与谋略机科学系和美国劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部的一组钻研职员就视网膜问题提出了最新的规划。

2020 年 5 月 20 日,该团队题为 A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina(具有半球形钙钛矿纳米线阵列视网膜的仿生眼)的论文在线颁发于《自然》(Nature)杂志。

具有半球形视网膜的电化学眼

比拟相机中的平面图像传感器,人眼具有天然的奇妙光学结构:球形的视网膜削减了从晶状体经由过程的毫光,是以凸起了焦点。

具有特殊的图像感知特点,如视野宽、分辨率高、像差低、灵敏度高。然而要想研发出满意上述特点的仿生眼谈何轻易。

而该钻研团队的规划是,设计一种由高密度(密度高达 4.6×10-8  cm–2,远高于人眼视网膜中的感光器密度 10-7 cm–2)纳米线阵列组成的、具有半球形视网膜的电化学眼 EC-EYE(EyeroChemical EYE),旨在仿照人眼视网膜上的光感想熏染器。

详细的布局、运作要领如下:

如上图所示,晶状体(Lens)固定在仿生眼的小孔上,仿生眼由前侧的金属壳(Aluminium shell)、后侧的人造视网膜(Retina)和中心的离子液体(lonic liquid)组成。

而这项钻研最主要的冲破是后侧的半球形视网膜,从上图可以清晰地看到密集排列的光敏纳米线(Nanowire,模拟人眼视网膜中的感光细胞)被固定在氧化铝膜(Aluminium shell)的孔中。 聚合物插座(Socket)用于固定视网膜,确保纳米线和后头的液态金属线(Liquid-metal Wire)之间的电打仗。而液态金属线经由过程将旌旗灯号从纳米线传输到用于旌旗灯号处置惩罚的外部电路来模拟神经纤维。

仿生眼领域的一次显明冲破

那么基于这样的设计,其效果若何呢?

【该设计的艺术化形象】

在论文中,经由过程重修投射到设备上的光学图案,钻研团队演示了仿生眼的图像感测功能,从而发明,这一仿生眼比拟此前的一些设计可以说是脱颖而出,主要在于以下一些方面:

与人眼在构造方面具有高度的相似性,视野可达到 100 °,比拟之下,静态人眼的垂直视野约为 130 °。

人造视网膜可检测的毫光强度区间为每立方厘米 0.3 微瓦到每平方厘米 50 毫瓦,跨度较大年夜。

在最低强度下,人造视网膜中的每条纳米线匀称每秒可检测到 86 个光子,与人眼视网膜中光感想熏染器的灵敏度相称。

雷锋网懂得到,这一特点主要在于制造纳米线所用到的钙钛矿材料。

实际上,钙钛矿化合物在制造各类光电和光子利用方面极具潜力。特其余是,该钻研团队应用的钙钛矿是碘化甲脒铅,而选择它的来由就在于其优良的光电机能和优越的稳定性。

当纳米线阵列受有规则的快速光脉冲刺激时,可在 19.2 毫秒内快速对脉冲进行相应,从而孕育发生电流,并可在脉冲停止时最快用 23.9 毫秒的光阴来规复(即回到其非活动状态)。

据懂得,为判断仿生眼能够多快地相应光旌旗灯号,相应和规复光阴是一组紧张的参数。实际上,人眼视网膜中光感想熏染器的相应和规复光阴在 40-150 毫秒的区间内。

该设计有望比人眼的分辨率更高,由于纳米线密度可以前进到人目光感想熏染器的 10 倍以上。

与此同时,这一仿生眼也面临着一些寻衅:

光电传感器阵列仅有 10 × 10 个像素,像素间有约 200 µm 的间隙,这意味着光检测区只有大年夜约 2mm 宽。此外,制造工艺中的一些步骤资源高,且不得当量产。

为前进视网膜的分辨任机能,需减小液态金属线的尺寸。今朝其外径约 700 µm,但抱负环境下应与纳米线直径(大年夜约在几微米阁下)相称。

人工视网膜的应用寿命还需进一步测试。钻研团队表示,在 9 个小时的操作之后,其机能无显着低落,但其它电化学装配的机能可能会呈现劣化的态势。

离子液体浓度较高时,相应和规复光阴将受到影响,是以必要进一步优化。

但客不雅来讲,这一设计已经因此前几十年以来仿生眼领域的一次显明冲破了。

雷锋网留意到,其冲破不仅在于这一仿生眼仿照了人眼,也是经由过程仿照对类似昆虫的复眼等布局来实现的。

而基于这项钻研所取得的进展,仿生光敏器件可实现进一步的优化,未来十年内将仿生眼利用于破费类电子产品、机械人等广泛的场景也可以说是指日可待了。

正如论文合著者之一范志勇教授所说:

我们盼望在生物相容性、稳定性等方面进一步改良。我觉得,假如统统都按计划进行的话,那么该技巧有可能在 5 年内落地利用。

关于作者

正如上文所述,喷鼻港科技大年夜学电子及谋略机工程学系范智勇团队介入了此项钻研。

根据喷鼻港科技大年夜学官网,范智勇教授团队迄今已在顶级期刊上颁发了 170 多篇钻研论文,引用次数达 18,000 次。

范智勇教授分手于 1998 年和 2001 年在复旦大年夜学得到物理电子学学士、硕士学位,于 2006 年得到加州大年夜学欧文分校材料科学博士学位。

2007-2010 年,范智勇教授在加州大年夜学伯克利分校电气工程与谋略机科学系与美国劳伦斯伯克利国家实验室担负博士后钻研员。

2010 年 5 月,范智勇教授加入喷鼻港科技大年夜学,任电子及谋略机工程学系副教授。

此外,他照样自然出版集团开放获取期刊《科学申报》编辑委员会成员和施普林格《纳米钻研快讯》副主编。范智勇教授同时也担负《自然材料》、《自然纳米技巧》、《自然通讯》、《纳米通讯》、《ACS 纳米》、《先辈材料》、《能源与情况科学》、《利用化学》、《ieee edl》等杂志的审稿人。

引用滥觞:

[1]https://www.nature.com/articles/d41586-020-01420-7

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

[3]https://seng.ust.hk/news/20200521/prof-fan-zhiyong-leads-his-team-publish-sci-fi-inspired-super-human-eye-research

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