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香港科大設計出世界首個3D人工眼球,比人眼看得更遠更清楚

  眼睛是人類最重要的傳感器官之一,通過視覺,人才能感知外界物體的大小、明暗、顏色、動靜,獲得對機體生存具有重要意義的各種信息。人類大腦中,大約有80%的知識和記憶都是通過眼睛獲取的,視覺是人和動物最重要的感覺。

  視覺如此重要,失明不但會給患者帶來嚴重的生活障礙,還給家庭和社會帶來沉重的負擔。

  好消息是,由香港科技大學(HKUST)科學家領導的國際團隊開發出了世界上首款3D人工眼,這款「電化學仿生眼」,首次復制了人眼的曲面結構,為視覺類人機器人和視力障礙患者帶來了新希望。

  

  圖片來源: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,還要從眼球的結構說起。

  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構。

  眼睛有三層外套,由三個透明的結構包覆著組成。最外層由角膜和鞏膜組成,中間的一層由脈絡膜、睫狀體、和虹膜組成。最內層是視網膜,如同從眼膜曲率鏡看見的視網膜血管,它從脈絡膜的血管獲得循環。在這些外套內的是房水、玻璃體、和柔韌的晶狀體。

  房水又稱水樣液,是一種清澈的液體,包含在兩個區域:晶狀體暴露的區域、角膜和虹膜中間的眼前房。透明的細纖維組成睫狀體懸吊韌帶 (睫狀小帶),將晶狀體懸吊起來。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,包覆在鞏膜、小帶和晶狀體的周圍。

  

  圖片來源于參考文獻1 ,由作者翻譯

  眼球的結構我們已經知道了,那眼睛是如何帶來了視覺呢?

  視覺是通過眼睛接受外界環境中一定頻率范圍內的電磁波刺激,經中樞有關部分進行編碼加工和分析后獲得的主觀感覺。從本質上來說,人的眼球是通過對光進行反應,從而獲得視覺的。

  人的眼球可分為感光細胞(視桿細胞和視錐細胞)的視網膜和折光系統(角膜、房水、晶狀體和玻璃體)兩部分。光通過折光系統在視網膜上成像,經視神經傳入到大腦視覺中樞,就可以分辨所看到的物體的色澤和分辨其亮度,從而可以看清視覺范圍內的發光或反光物體的輪廓、形狀、大小、顏色、遠近和表面細節等情況。

  

  視覺的形成原理

  

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

  圖片來源: https://medium.com/@nuralchoudhury/fui-yes-fui-7802862b1e01

  從眼球的結構和視覺形成過程來看,人造眼球最關鍵的技術就是視網膜??茖W家們一直致力于創造出媲美人類的視網膜,實現真正的仿生視覺。

  不過,由于球形人眼的曲面太難模仿,目前在醫院使用的由平面集成電路芯片實現的人工眼睛只能模擬部分人類視網膜,以提供模糊的視覺效果??茖W家們已經花費了數十年的時間來嘗試復制生物眼睛的結構和清晰度,但是現有義眼所提供的視覺(主要是通過外部電纜連接的眼鏡的形式)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?

  隨著技術的發展,香港科技大學(HKUST)科學家領導的國際團隊開發出了一款3D人工眼,這款「電化學仿生眼」用納米線和外部電子電路在曲面上實現了高密度傳感器,首次復制了人眼的曲面結構。

  這款電化學眼最主要的突破,是創造了一個3D立體人造視網膜。這款人造視網膜上裝有大量納米線感光器,用來模擬人類視網膜中的感光細胞。在實驗中,團隊以液態金屬線模擬人類眼球后的神經線,將納米線感光器與人造半球形視網膜后面一束束的金屬線連接在一起,成功復制了視覺訊號的傳輸,將電化眼所看到的影像投射到了計算機屏幕上。

  

  電化學眼工作過程

  圖片來源于參考文獻2,由作者翻譯

  

  電化學仿生眼

  圖片來源于參考文獻1

  

  科大研發的電化學仿生眼(EC-Eye)的結構

  圖片來源于參考文獻1

  人造視網膜,遠遠不止“看見光明”這么簡單

  人造視網膜不僅可以拯救盲人的視力,它的功能比人眼更加強大。

  首先,它消除了視覺盲點的問題。由于人眼的視神經是在視網膜前面,人眼感光細胞所收集到的訊號,會先聚集在視網膜的一點,再從視網膜前方往后傳送到大腦,如果一個物體的像剛好落在這個點上就會看不到,稱為盲點。

  

  盲點形成示意圖

  圖片來源于參考文獻3, 由作者翻譯

  這個問題,電化學眼就可以解決。在人造視網膜上,由于每個散布在上面的感光器,都可獨立透過其后方連接的液態金屬線將訊號傳送至大腦,無需經過視網膜的某一點,因而消除了盲點的問題。

  不僅如此,電化學眼還有很多開了外掛的功能,比如夜視和紅外。我們都知道,人眼在夜里是看不到的,但電化學眼只要使用不同的材料來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,電化學眼也可以實現更高成像分辨率。研究人員將傳感器之間的距離縮小到3微米,在人造視網膜上的傳感器是真人眼睛的30倍,而由于納米線感光器在人工視網膜的密度比人類視網膜中的感光細胞更高,如果將來每個納米線感光器都能與視覺神經線連接,人工視網膜將能接受更多光訊號,可以比人類視網膜具有更高解像度的潛力。

  更厲害的是,與其他仿生眼相比,這個新開發的電化學眼無須外設電池。3D人造眼的運作原理涉及一種太陽能電池中的電化學反應程序。原則上,人造視網膜上的每個感光器都可以像納米太陽能電池一樣,將光能轉化為電能維持機械運作。經進一步改良,電化學眼可成為能自我供電的圖像傳感器,用作人造眼科義體時,無需依靠外部電源或電路,與現時的技術相比,將更為方便應用。

  這種電化學眼,將來不但可以滿足視力受損者的需要,還可以應用于醫療機器人中,實現照顧病人等一系列的功能。

  參考文獻:

  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/


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