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范智勇团队成功研制基于纳米线阵列视网膜的球形仿生人眼

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近日,香港科技大学电子与计算机工程系范智勇教授课题组Nature杂志在线发表论文,题为 “Abiomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire retina”,宣布研制成功世界首个基于钙钛矿纳米线阵列半球状视网膜的仿生人眼。

课题组博士后顾磊磊为第一作者,合作单位为美国加州大学伯克利分校

“这项工作的核心突破点是以纳米线仿生人眼视杆细胞,然后把高密度纳米线阵列组装在半球形的多孔透明绝缘模板来仿生人类视网膜。” 论文通讯作者范智勇教授表示,“我们使用了离子液体模仿人眼中的玻璃体,还开发了不同的背接触电极技术,最终构成与人眼结构极为相似的视觉系统。”


范智勇教授(前排中坐者)与团队成员,右二为论文第一作者顾磊磊博士

长期以来,人们信奉着“眼见为实”。人类也一直致力于开发能够检测和/或记录看到的物体的成像设备。

1839年,法国画家路易·达盖尔发明了世界上第一台真正的照相机,经过近两百年的发展,相机相关的技术已经不断成熟,但与经过数百万年自然进化的生物眼睛(人眼)相比,在很多方面仍有巨大的的差距。

例如,相比于相机,人眼结构紧凑,视野宽广,分辨率高,自适应性强。

这些优势的一个重要原因是由于视网膜的半球形状,而相机的图像传感器目前仍为平面结构。

相比于平面机构,半球状成像表面和焦平面(即Petzval表面)更匹配,从而可以简化相机中的复杂的镜头配置,减小相机体积,降低重量。

这种设计得极其紧凑的成像器件在智能手机,无人机,机器人和视觉假体中都有广泛的应用潜力。

然而,当前主流的半导体微纳制造技术是基于平面工艺,其核心工艺流程包括光刻等都无法在球形表面实施。

因此,生物眼睛的球形特性,尤其是其核心部件视网膜,对仿生眼睛的制造提出了巨大的挑战。

范智勇教授组在2016年成功制备了高度集成的钙钛矿纳米线阵列,并将其组装成平面的图像传感器(Adv. Mater., 28(44), 9713-9721.)。

在此基础上,课题组继续独创了一种球形电化学仿生眼睛。

此次发表的Nature论文提出了一种崭新的器件结构,以半球形多孔氧化铝为模板组装钙钛矿纳米线,以离子液体渗入纳米微孔与纳米线形成电接触,以液态金属纤维/金属微针阵列形成背接触,模仿视神经传导信号,如下图所示。


左图为球形纳米线阵列仿生人眼示意图,右图为金属微针接触视网膜背面的金属纳米线电极。

实验证实单根或几根纳米线都可以作为一个独立的感光单元,从而有望实现超高分辨率成像。

论文还提出了一种新颖的微电极阵列组装策略。在半导体纳米线阵列的背面生长金属纳米线电极垂直阵列,然后在磁场辅助下,把镍金属微针插进纳米线阵列,形成单个像素只包含三根纳米线的像素点阵列,并组成一个尺寸仅为2mm×2mm的具有图像识别功能的超小型图像传感器。

论文也验证该电极组装方法可以用于半球形表面。

这项研究提供了一种突破性的方法来获得接近人眼的高性能视觉系统。

该仿生眼系统可以用于广角相机/摄像头、人形机器人、高性能的视觉假体来帮助视觉残障人士。

范智勇教授说:“我们的工作独创了新型仿生人眼器件模型,目前器件响应速度超过了人眼,灵敏度接近人眼。而且,我们仿生视网膜的设计也避免了人类视网膜固有的‘盲点’问题。

由于使用高密度纳米线阵列,仿生视网膜的理论分辨率是人眼的6倍左右,但是目前受制于背电极的手工制备工艺,电极密度还不高。所以仿生视网膜还未达到人眼的分辨率,将来还有许多工作要做。

另一方面,这种器件还有很大的潜力可以挖掘。比如通常人眼只能看到400纳米到700纳米波长的可见光波段,而我们的器件已经可以响应到800纳米的波长。

如果使用窄带半导体制备纳米线,这种仿生眼将有更加宽广的光学波段响应。安装这种仿生眼作为视觉假体的话,人类的视觉将不再为可见光波段所限制。”

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