人眼具有極廣的視野、高分辨率、低像差和高靈敏度等特殊的圖像感應特性。而具有這種特性的仿生眼睛是非常理想的，特別是在機器人和視覺假體技術中。但是，生物眼睛的球形特性，尤其是其核心部件視網膜，對仿生眼睛的制造提出了巨大的挑戰。

新的人造眼的藝術家渲染。圖片來源：Leilei Gu and Fantastic Color Animation Technology Co.， Ltd

構造彎曲的視網膜很重要，因為只有在穿過彎曲的透鏡后，光線才能投射到視網膜上。威斯康星大學麥迪遜分校的電氣工程師姜洪瑞說：“對某物成像時，實際上在鏡頭之后形成的圖像是彎曲的。”如果人造眼配備一個扁平的傳感器，那么圖像將無法非常清晰地聚焦。” 視網膜是彎曲的，但是電子光傳感器是剛性且平坦的。

鈣鈦礦是一種用于太陽能電池的導電和光敏材料，可用于制造極細的納米細絲，其長度則為幾個微米。香港科技大學的電子和計算機工程師范智勇說，這些細絲模仿了眼睛的細長的感光細胞的結構。“但是困難在于：如何在半球形基底中制造納米細絲陣列以形成該半球形視網膜？”

為了解決這個問題，范智勇和他的同事們將軟鋁箔彎成半球形，然后將其轉變為主要由氧化鋁構成的絕緣體，同時在上面開出了密集的小孔，最終，研究人員得到了一種半球形的多孔透明絕緣模板，可以在其中“生長”鈣鈦礦納米細絲。研究人員表示：“納米線的密度非常高，甚至比人眼中感光體的密度還要高。”

圖1：仿生人造眼

一旦他們有了彎曲的“視網膜”，科學家就將其整合到了人造眼中，該人造眼的前部包括一個彎曲的晶狀體。受到真實的眼睛中特殊液體的啟發，該團隊在其仿生版本中填充了一種離子液體，一旦這些納米細絲產生電荷，電荷將與某些離子交換。“這種電交換使鈣鈦礦納米細絲可以執行電化學功能，以檢測光并將該信號發送到外部圖像處理電子設備。”

當團隊測試人造眼時，它可以在短至19毫秒的時間內處理光的圖案，這是人眼所需時間的一半。它產生的圖像比具有相似像素數的平面圖像傳感器產生的圖像具有更高的對比度和更清晰的邊緣。在某些方面，人造眼可以改善自然視覺：它可以吸收更大范圍的波長，并且沒有盲點。

研究人員表示，這種裝置可以通過重構人造眼觀察到的圖片（字母“E”“I”和“Y”）“看見”對象。實驗中的概念驗證裝置分辨率較低，因為納米線陣列只有100像素，每個像素含3條納米線。但研究人員認為，他們的設計有可能獲得比人眼更好的分辨率，因為納米線的密度可以增加到人眼光感受器的10倍以上。

圖2：人造眼的詳細結構

生物醫學公司Second Sight的臨床和科學事務副總裁Jessy Dorn認為，這項研究很新穎，但是還沒有看到如何將其與人類視覺系統聯系起來。 她從事失明治療設備的工作，包括稱為Argus II的視網膜假體，并指出開發電子界面只是第一步，這樣的設備將需要與人腦交互以產生圖像。“這是更大的挑戰之一：如何安全可靠地植入任何類型的高分辨率界面，然后再與人類視覺系統協同工作。”

這項研究由香港科技大學電子與計算機工程學系范智勇團隊、美國加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學系和美國勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部的研究人員合作完成，相關論文以“A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina”為題發表在Nature上，第一作者是香港科技大學電子與計算機工程學系顧磊磊（Leilei Gu）。
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