俗话说，眼睛是心灵的窗户。从生物的角度来说，眼睛也是大多数动物最重要的感知器官，我们的大脑通过眼睛获得超过80%的关于周围环境的信息[1]。
所以，失明患者往往都生活得很艰难，尤其是摘除了眼球的失明患者，现在的医疗技术还无法制造出有视觉功能类似人眼的仿生眼球。
不过在上周的《自然》杂志上[2]，香港科技大学的研究人员发表了一项突破性的研究成果，他们利用新技术和新材料制造出的仿生眼球，拥有和人眼球差不多的对光的敏感度，而且能比人眼球感知到更高的分辨率。
人眼球的结构非常精妙，视网膜呈半球形，穹顶形状能自然地减少通过晶状体的光线的扩散，相比照相机之类的平面成像的图像传感器，聚焦能力更好。但是，这个优点恰好增加了仿生眼球的制造难度，因为工艺的限制，半球形的图像传感器制造几乎是不可能的。
b：人眼球结构，从左至右依次为晶状体、玻璃体、视网膜和神经纤维，c：视网膜局部放大图，包含视神经、神经元和感光细胞（photoreceptors）
这次，研究人员打破了这个限制。他们使用可弯曲的三氧化二铝制作了视网膜，也就是眼球的后半部分球形，前半部分球形用的是衬有钨膜的铝，然后用离子液体模仿人眼球中的玻璃体。
人眼球视网膜穹顶的部分布满了感光细胞，感光细胞接收到的光信号会通过和眼球相连的神经纤维，传递到大脑。
研究人员在铝制视网膜的孔隙中嵌入了纳米材料传感器，传感器由感光材料钙钛矿制成，这种材料目前主要的研究方向是用于新型太阳能电池。有了“感光细胞”，还需要神经纤维，他们将液态金属，共晶镓-铟合金密封在柔软的橡胶管中，制成外径仅有700微米的一根根的神经纤维。
最后，研究人员还用硅酮聚合物制作了一个“插座”，把人造视网膜固定住，保证“人造感光细胞”和“人造神经纤维”能对齐不跑偏。
仿生眼球结构
人造眼球的架子搭好了，但只有形似是不够的，功能如果能够达到和人的眼球差不多的水平才是成功地“仿生”。
人眼有非常广泛的视觉感知，大约有155°，这一点想必大家在生活中也能感觉到，我们即使不转头，视线较偏的部分用余光也能扫到，而普通的平面成像传感器的视野只有70°。这次新的仿生眼球因为结构和人眼球已经比较接近了，所以也有100°左右的视野，相比平面成像有了很大的进步。
虽然视野范围稍微逊色，但仿生眼球也有不逊于，甚至强于人眼球的方面。
例如，仿生眼球对光强度的感知范围很宽，从每平方厘米0.3微瓦到50毫瓦不等，在光强度最低的时候，眼球中每个模仿感光细胞的纳米传感器，平均每秒可以检测到86个光子，与人视网膜感光细胞的灵敏度相当，保证了仿生眼球能够像人眼一样在昏暗的光线条件下清楚地视物。
新仿生眼球概念图，图片来自于Leilei Gu and Fantastic Color Animation Technology Co., Ltd
另一个是记录光线变化的速度，仿生眼球需要的时间在19.2毫秒到23.9毫秒之间，比人眼球的40-150毫秒要快。这一点反映了视网膜对光信号的响应速度。
最后，也是突破最大的一点在于，仿生眼球具有比人眼球更高的分辨率。这一点主要是因为，在人造视网膜中嵌入的，充当感光细胞的纳米传感器数量非常多，每平方厘米有4.6亿个，而人视网膜中真正的感光细胞每平方厘米大约为1000万个。
分辨率是大家都比较熟悉的概念，图像的分辨率高，我们看到的内容也就更“高清”，因此，同一个物体或同一片风景，仿生眼球看到的是更加高清的画面。
威斯康星麦迪逊大学的电气工程师Hongrui Jiang为这个研究成果撰写了评论文章[3]，他表示，这是这个领域几十年里的一个重要突破，实现了仿生眼球整体性能的飞跃。
图片来自于；pixabay.com
同时，他指出，这个成果还有很多要改进的地方，比如，未来要想广泛应用，就必须开发高通量的制造方法，降低成本；再一个，为了提高视网膜的分辨率，包被有橡胶软管的液态金属线的直径尺寸需要缩小，从目前的700微米缩小到几微米；最后，仿生眼球的使用寿命也还需要更多的测试，因为眼球中的电化学设备性能会随着时间逐渐降低，高昂的成本也不能支持反复地更换。
不过，就如Hongrui Jiang工程师所说，虽然还有不足，但这些进步和成功会让我们在接下来的十年中，在日常生活中更多地见到仿生眼球的应用。
编辑神叨叨
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参考资料：
[1] Pocock D C D. Sight and knowledge[J]. Transactions of the Institute of British Geographers, 1981: 385-393.
[2] Gu L, Poddar S, Lin Y, et al. A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina[J]. Nature, 2020, 581(7808): 278-282.
[3] https://www.nature.com/articles/d41586-020-01420-7
本文作者 | 应雨妍
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