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中国科学家发明纳米线仿生眼球,被评为该领域数十年来重要突破

增强视觉的“隐形眼镜”或最早获得应用。

“我是一个科幻迷,很早就开始看《终结者》《星际迷航》这类的科幻电影了,我觉得科幻电影中的机器人看起来未来感十足,机器人的仿生眼也都特别酷炫 ……” 香港科技大学电子与计算机工程系范智勇教授如是说。

正是源于这样一个科幻梦,范阿智勇及其团队在自 2011 年以来的近 10 年时间内,一直专注于仿生眼的突破性研究。

中国科学家发明纳米线仿生眼球,被评为该领域数十年来重要突破

图|由阿诺·施瓦辛格饰演的 “终结者”(来源:《终结者》剧照)

不久前,范智勇团队在国际顶级科学期刊《自然》(Nature)杂志上发表的一篇题为 “A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina” 的论文中,提出了一种 “新型纳米线球形仿生眼” 的概念,这一研究成果得到了业界同行专家的高度认可,被评述为 “过去几十年来仿生眼开发的重要突破”。

论文的第一作者、香港科技大学电子与计算机工程系顾磊磊博士告诉 DeepTech,人眼功能之所以远超现有的成像设备,一个重要原因是其不同寻常的球状结构,“但当前的半导体制造基于平面工艺,无法加工此种球面器件”。

在范智勇、顾磊磊等人的工作中,他们打破常规,将柔软的铝冲压为半球状,采用一种 “阳极氧化” 的技术将其转变为相应形状的多孔氧化铝纳米模板,之后采用化学气相沉积的方法将纳米线长在纳米孔道内,从而形成高密度、半球状分布的半导体纳米线阵列,用以模仿核心视网膜,之后配合离子液体、液态金属等新型材料,结合 3D 打印等新兴科技,成功制备出球形电化学仿生眼,这一突破性方法有望使机器和人获得接近人眼的高性能视觉。

中国科学家发明纳米线仿生眼球,被评为该领域数十年来重要突破

图|范智勇(右三)、顾磊磊(右二)及其科研团队(来源:香港科技大学)

对此,范智勇表示,该仿生眼不仅可以用做义眼(即人工植入假眼)帮助视觉残障人士重获光明,在手机、相机、无人机和自动驾驶等诸多领域也应用广泛。

此外,该仿生眼还可以用来提升智慧城市的整体智能化水平。“相比于当前主流的平面摄像头,球形仿生眼的成像效果更好,可以提高输入数据的数量与质量,进一步提高 AI 系统输出信息的丰富度与准确性,而且由于数据整体质量提高,AI 系统的算法也可以更加简化,从而降低开发成本。” 顾磊磊说。

在航空航天领域,仿生眼也能发挥它的价值。航天器对自身的体积重量有严格的要求,如果使用传统相机,要达到超广角甚至 360° 全景成像,需要使用很多镜头组,或者像火星车一样,使用少量摄像头但需要大范围旋转,前者需要更多摄像头,后者需要马达驱动系统,两种方案无疑都会增加航天器的能耗和重量。范智勇表示,“球形仿生眼,尤其是仿生复眼,视角接近 360°,以之取代平面摄像头,可以大大简化镜头的设计,降低整体质量和体积。”

此外,在范智勇看来,由于仿生眼所用材料的光谱响应范围比人眼的光谱响应范围更宽广,人类借助仿生眼甚至可以看到红外线和紫外线。

他告诉 DeepTech,大疆创新的无人机、港科大的自动驾驶项目、商汤科技的机器视觉研究和华为的手机摄像头,都可能是 “仿生眼” 的潜在应用场景,目前正在探讨具体的合作方式。

有望打破国外技术垄断

“仿生眼是一个特殊的光电探测器件。” 范智勇说。

一直以来,范智勇都始终聚焦于做发光器件和光电探测器件等光电研究,他的另一个身份,是先进显示与光电子技术国家重点实验室的成员。

早在 2011 年,范智勇就想基于人眼的生物学特征创造一种全新的光电器件,但因为这一 “非常科幻” 的想法在当时面临着太多的挑战,并没有迅速推进下去。2011-2016 年间,范智勇和其学生顾磊磊在这方面做了很多基础性工作,才逐渐有了一些技术积累和科研成果,仿生眼的研究就这样慢慢起步了。如今,他们已经做出了仿生眼的原型,当初来自科幻电影的梦想正慢慢得以实现。

中国科学家发明纳米线仿生眼球,被评为该领域数十年来重要突破

图|仿生眼的感应图像(来源:香港科技大学)

当前,他们正致力于推动仿生眼在机器视觉提升和人眼视觉障碍治疗等方面的应用。

他们希望可以从科幻电影中获得灵感,真正地把仿生眼用在机器人上。与人眼一样,球状仿生眼不仅可以快速转动,还具有 150-160° 的视角,同时也能避免人眼中由于视网膜倒装造成的光损失及盲点问题。从理论上讲,仿生眼的成像效果要优于当前的手机摄像头和广角相机,能以更大角度采集场景数据,在机器人、无人机、无人驾驶等领域具有很好的应用前景。

同时,他们也在实践中发现,仿生眼同样可以用来造福人类。

来自世界卫生组织(WHO)等机构的数据显示,全球范围内已有 50 多亿眼科疾病患者,其中中国有 10.8 亿;目前全球眼科市场规模超过了 500 亿美元,中国的眼科市场总体规模已经由 2015 年的近 1000 亿人民币增长到了 2019 年的 1700 亿人民币,年化增长率高达 14% 左右。

中国科学家发明纳米线仿生眼球,被评为该领域数十年来重要突破

图|眼科疾病患者人数和市场规模(来源:刘利剑 & 范智勇)

可见,当前全盲、半盲和视觉残障人士对仿生眼有着非常急切的需求。

人工视网膜是 “仿生眼” 的核心部件,对于一些与老龄化相关的疾病,比如因视网膜内的视细胞退化不能产生有效的电刺激,进而无法产生神经信号,当前的解决方法是,把人工视网膜贴到人的视网膜的前面或者后面,用电极或光电探测器替代视细胞产生电刺激,进而产生神经信号,最终传递到大脑。但是,当前国内眼科类手术中所使用的技术和设备基本上都来自国外,我国的原创技术较少。更重要的是,即使是国外的器件,手术后视觉恢复效果也并不好。

中国科学家发明纳米线仿生眼球,被评为该领域数十年来重要突破

图|主要眼科疾病市场规模(来源:刘利剑 & 范智勇)

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图|主要眼科疾病市场规模(来源:刘利剑 & 范智勇)

范智勇希望,他们的研究可以帮助这些眼病患者修复视网膜甚至取代整个眼球,同时也希望他们做出的仿生眼具有同等甚至超越人眼的功能。实验数据显示,目前他们做出的仿生眼,响应速度比人眼快一倍,最高分辨率可达人眼的 6 倍,且这一半导体器件的灵敏度还可以继续提高。

在与中国内地和中国香港的医生认真讨论后,他们将纳米线阵列放在视网膜前面或后面,通过纳米线阵列本身产生的电压信号或电流信号来刺激人体受损的感光细胞。

中国科学家发明纳米线仿生眼球,被评为该领域数十年来重要突破

图|仿生视网膜(蓝色)、离子液体和液态金属纤维构成球形 “仿生眼”(来源:范智勇)

如果眼球已经完全坏掉,他们将来会采取脑机接口等更激进的方法,直接使用人工眼替代眼球,通过金属导线与金属电极阵列相连,贴在视神经中枢上,形成直接刺激。

中国科学家发明纳米线仿生眼球,被评为该领域数十年来重要突破

图|全眼球替换方案(来源:范智勇)

目前,美国和德国开发的人工视网膜,由于效果差、费用高,实际采用的人比较少。“仿生眼的材料成本很低,其实可以忽略不计,但目前在美国或德国做一次的成本大概为 100 万人民币,我们有信心把这个数字降低。” 范智勇说。

增强视觉的“隐形眼镜”或最早获得应用

尽管已经实现了技术上的突破,也得到了业界专家的高度认可,但在顾磊磊看来,这一研究还处于非常早期的阶段,仍需进一步开展大量的基础工作。“之前的工作只是相当于把架子搭起来,建立一个模型,内部的材料、器件结构还没优化,目前还只是黑白色的成像效果,仍需继续添加人眼可观察的红绿蓝和动物能看到的紫外线和红外线。”

顾磊磊表示,用于机器的仿生眼理论上的分辨率可以做得很大,只需提高纳米线的密度就可以,但目前后端电极部分的密度还不够大,像素的总体密度也不够大,成像分辨率还不够高,之后可以把电极做小、做细。另外,在算法层面,如果有足够多的像素点,就会产生足够量的数据,但如何有效收集、如何高效处理这些数据,还需要在 AI 算法方面继续做优化,从而达到或超过人眼水平;如果要作为人工视网膜植入人眼,他们还需要测试改进材料的生物相容性和电化学稳定性,目前正在准备开展相关的动物实验。

中国科学家发明纳米线仿生眼球,被评为该领域数十年来重要突破

图|范智勇团队示范电化学仿生眼的运作原理(来源 :香港科技大学)

范智勇也认为,人人都能佩戴仿生眼的时刻,还远未到来。

“也许大概在 10 年之后,我们就可以通过佩戴类似于隐形眼镜一样的器件获得视觉增强的功能,可以看到红外线、紫外线,可以获得高分辨率、高解析度的图像,但要实现人人都可移植仿生眼的科幻梦,还需要很长时间,即使在技术上得以实现,也还需要考虑一些法律、法规问题。”

如今,他们已经制定了一个 10 年计划,5 年内完成体外实验和动物实验,之后 5 年完成人体实验。至于成本,范智勇认为,将取决于他们在未来 10 年中投入了多少资金,有多少人使用这项技术,而后者又取决于这项技术相比于美国和德国的技术是否更好用,“用的人多了,单个成本也就低了。当然,我们可能会成功,也可能会失败。”

但正是顾磊磊近几年在这一领域做出的基础性研究成果,让我们离实现仿生眼这一科幻梦更接近了一些。

“我来自不足 300 人的小山村”

顾磊磊出生在一个不足三百人的小山村,在他的印象里,那里有山无水、有草无路。“我的求学生涯开始于一座小庙改成的小学里,三个年级的二十个人挤在一个小教室里上课,教室与戏台共用一个院子,每年村里唱大戏时,因为院子会被来看戏的观众占满,我们就会被迫停课。” 但就算这样,顾磊磊还是冲出了小山村来到了上海,在复旦大学完成了 7 年的学生生涯。

“2010 年,范智勇教授来复旦大学做讲座,一个个精妙的想法、一个个新颖的器件完全颠覆了我的认知。硕士毕业后,我就加入了范教授的团队,从博士到博士后,一直在跟随范教授做仿生眼的研究。” 顾磊磊说。

从硕士开始,顾磊磊一直聚焦于一维纳米结构或材料的传感器研究,至今已经超过十年。“不同阶段都有不同的侧重点,总体趋势是在推动纳米线传感器向高性能、实用化的方向发展。”

硕士期间主要研究方向为一维纳米结构气敏传感器。在这时期主要研究单根纳米线器件的气敏性质。通过材料修饰、器件设计得到高性能气敏器件,但这些器件多为分立的单个器件。代表成就为制备了 ZnO/TiO? 核壳结构高性能湿度传感器。

读博期间,开始注重集成这一问题,主要研究基于一维集成纳米结构的新型光电子学。“纳米线性能优越,文献中也报道了很多高性能纳米线器件,但由于缺乏有效的手段对纳米线进行排列集成,所得器件的密度低、器件与器件之间差异大,无法实用。” 为解决这一瓶颈问题,我开始直接生长排列整齐的纳米线阵列,并将其组装成集成的光电器件。”这一阶段的代表成就为制备了集成 1024 个像素点的基于三维纳米线阵列的图像传感器。

在博士后阶段,顾磊磊则专注于基于纳米结构的仿生光电子学。他希望将生物体中经过数百万年自然选择的独特性质与现代纳米科技结合起来,从而治疗某些生理疾病或进一步提高器件的性能。代表成就为基于纳米线阵列的球形电化学仿生眼。

顾磊磊表示,之后他将开始独立的科研生涯,带领团队继续深扎这一领域。

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