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Nature:中国科学家开发基于半球形视网膜的人造眼

来源:本站原创 2020-06-03 15:15

2020年6月3日讯 /生物谷BIOON /——据报道,一种人造眼球将密集的纳米级光传感器集成到一个类似半球形视网膜的组件中。它的一些感官能力可与它的生物对手相媲美。

科幻小说中经常出现拥有人工眼睛的机器人,以及与人类大脑相连接以恢复盲人视力的仿生眼睛。人们已经花了很多精力来开发这种设备,但制造球形人类眼睛--尤其是半球形视网膜--是一个巨大的挑战,严重限制了人工和仿生眼睛的功能。近日在Nature杂志上发表的一篇论文中,香港科技大学的范志勇团队报道了一种创新的、凹性的半球形视网膜,它由一系列纳米级的光传感器(光感受器)组成,模仿了人类视网膜中的光感受器细胞。研究人员将这种视网膜应用于电化学眼睛,这种眼睛具有与人眼相当的多种功能,并且能够完成获取图像模式的基本功能。

人眼的视网膜是半球形的,它的光学布局比照相机中的平面图像传感器更加精巧:视网膜的穹顶状自然减少了通过晶状体的光线传播,从而使焦点更加锐利。范志勇团队的仿生电化学眼的核心组成部分是作为视网膜的高密度光敏元件阵列。光敏元件直接在氧化铝半球形膜(Al2O3)的孔隙内形成。

图片来源:Nature

由液态金属(共晶镓-铟合金)制成的细软电线密封在软胶管中,将信号从纳米线光传感器传输到外部电路进行信号处理。这些电线模拟了连接人类眼睛和大脑的神经纤维。液态金属线和纳米线之间的一层铟改善了两者之间的电接触。人工视网膜由一个由硅树脂制成的插座固定,以确保电线和纳米线之间的正确对齐。

与人造虹膜相结合的透镜被放置在设备的前部,就像在人眼中一样。后部的视网膜与前部的半球形壳相结合,形成一个球形腔体("眼球");正面半球形外壳是由铝内衬钨膜。这个小室充满了一种离子液体,它模仿了玻璃体的--这种凝胶填充了人眼晶状体和视网膜之间的空间。这种排列对于纳米线的电化学操作是必要的。人工眼和人眼的整体结构相似,这使使得这个设备拥有了100°的广阔视野。相比之下,静态人眼的垂直视野大约为130°。

这个人造眼球在结构上的模仿确实令人印象深刻,但使其真正从之前报道的设备中脱颖而出的是,它的许多感官能力与天然眼睛相比都是相当不错的。例如,人造视网膜可以探测到大范围的光强度,从0.3微瓦到每平方厘米50毫瓦。在被测量的最低强度下,人造视网膜中的每根纳米线平均每秒能检测到86个光子,与人类视网膜感光细胞的灵敏度相当。这种敏感性来自于用于制造纳米线的钙钛矿材料。钙钛矿化合物是极有前途的材料,用于各种光电子和光子应用。研究人员使用的钙钛矿为甲脒铅碘盐,因其优异的光电性能和良好的稳定性而被选用。

纳米线的响应率(测量入射光每瓦产生的电流)对于所有可见光谱的频率几乎是相同的。此外,当纳米线阵列受到常规快速脉冲的刺激时,它可以在19.2毫秒内产生响应脉冲的电流,然后在脉冲结束时只需23.9毫秒就可以恢复(回到非活动状态)。反应和恢复时间是重要的参数,因为它们最终决定了人造眼球对光信号的反应速度。作为比较,人类视网膜感光细胞的反应和恢复时间在40到150毫秒之间。

也许最令人印象深刻的是这种人造视网膜的高分辨率成像,这是由于纳米线阵列的高密度导致的。在以前的人工视网膜中,光感受器首先是在平坦坚硬的基底上制作的;之后,它们要么被转移到弯曲的支撑表面上,要么被折叠成弯曲的基底。这就限制了成像仪单元的密度,因为它们之间必须留有空间,以便传输或折叠。

相比之下,这个新设备中的纳米线是直接在曲面上形成的,这使得它们可以更紧密地结合在一起。事实上,纳米线的密度高达460000000 cm-2,远高于人类视网膜上的光感受器(约10000000 cm-2)。来自每个纳米线的信号可以单独获取,但是当前设备中的像素是由三根或四根纳米线组成的。

弥补人工视觉和触觉之间的差距

这种人造眼球的整体性能代表了此类设备的一个飞跃,但仍有很多工作要做。首先,光电传感器阵列目前仅为10×10像素,像素之间的差距大约为200 -?m;这意味着光探测区域只有2毫米宽。此外,制造过程涉及一些昂贵和低通量的步骤-例如,研究人员使用一个称为聚焦离子束蚀刻的昂贵过程来为每个纳米线的形成准备孔洞。未来必须开发出高通量的制造方法,以大幅降低成本生产更大的光敏元件阵列。

图片来源:Nature

第二,为了提高视网膜的分辨率和尺寸,液态金属线的尺寸需要减小。电线的外径是大约700 um,但这应该与纳米线直径(几微米)相当。目前的挑战是将液态金属线的直径减小到这个尺寸。

第三,需要更多的测试来确定人造视网膜的使用寿命。研究人员报道称,在运行9小时后,其性能并没有明显下降,但其他电化学器件的性能会随着时间的推移而下降。最后,作者注意到,在离子液体浓度较高的情况下,他们的装置的响应和恢复时间会降低,但代价是光在液体中的传输。为了解决这个问题,需要进一步优化离子-液体的组成。

尽管如此,这项工作为过去几十年3 - 9年间所取得的突破又添了一笔浓墨重彩,这一突破不仅是通过模仿像相机一样的眼睛(比如人类的眼睛)实现的,也是通过模仿类似于昆虫的复眼实现的。鉴于这些进展,我们似乎有可能在未来十年见证人工和仿生眼睛在日常生活中的广泛应用。(生物谷Bioon.com)

参考资料:


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
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