作者 | 龙浩 王皓宁 微电子学与固体电子学博士
责编 | 高佩雯
“阴郁让人感激视觉，沉默让人感谢声音。”海伦·凯勒在《如果给我三天光明》中如是说。
视力对人至关主要，一旦失落明，生活质量就会大受影响。而仿生眼的出身，给失落明患者带来了新希望；新的技能进展，亦不断将不可能化为可能。
最近，《自然》杂志宣布了一项革命性进展：通过高密度的人工视网膜制造工艺，让仿生眼成像性能超过了人眼。如果能办理眼、脑协作问题，让盲人重见光明、乃至实现超级视力将指日可待。
失落明患者的希望之光：仿生眼
人们感想熏染外界信息80%靠视觉。据世卫组织2019年报告，环球视力损伤或失落明者达22亿人以上，个中失落明对患者生活影响最大（《天下视力报告》2019）。
只管手机等电子产品的无障碍设计可以帮助盲人感想熏染天下进步，但他们依然不得不忍受在阴郁中孤独摸索。
引起失落明的缘故原由很多，可能是眼睛，也可能是大脑。而视网膜病变、眼外伤等缘故原由最为常见。仿生眼作为具有视觉功能的义眼（视觉假体），为办理这类问题供应了可行方案。
仿生眼是参考人眼构造、为实现人眼功能而研发的人造器官。人眼包含角膜、瞳孔、虹膜、晶状体、玻璃体、视网膜、视神经等构造，繁芜而神奇。而从光学成像角度看，人眼构造却又十分大略：
外界影像通过晶状体（相称于透镜）成像在视网膜（相称于图像传感器）上，并由视细胞（组成视网膜的细胞，相称于光电探测器）将光旗子暗记转换成电旗子暗记，然后经视神经通报给大脑，由视觉中枢进行处理。
人眼构造：外界影像通过晶状体成像在视网膜上，再转化成电旗子暗记送到大脑 | 图虫创意
如果晶状体或者视网膜破坏，大脑就无法获取精确的电旗子暗记，失落明就发生了。
不过，像光电转换一类的事情不一定须要人眼，数码相机也能做。那么，针对这类由眼睛问题引起的失落明，如果利用数码相机代替人眼成像再传给大脑，是不是就可以重现视力了呢？答案是肯定的。
第一个外置仿生眼就这样出身了。它被命名为Argus，取自希腊神话中的百眼巨人。
Argus由一副摄像眼镜、一个小型电脑和一个植入芯片构成：摄像眼镜捕捉外界光影，转变成数字电旗子暗记，通报给电脑；电脑将其转为人脑可以理解的电旗子暗记，再无线传输给芯片；芯片开释微弱电旗子暗记，刺激尚未受损的视细胞，或直接通过视神经通报给大脑，从而让人看到天下。
外置仿生眼Argus II | Wykop.pl
这个大胆构想已经让不少失落明者看到了天下的轮廓和光影。但遗憾的是，限于当时技能水平，它只能让人看到黑白的巨大马赛克，间隔人眼所具有的超宽视角、高分辨率、高灵敏度和低像差的空想成像还相去甚远；并且外挂多个设备，也让用户体验大打折扣。
日趋完善的技能，打破仿生眼技能瓶颈
那么，要如何得到空想成像呢？科学家们从多个角度出发，进行了攻关。
其一，是对传感器（即“视网膜”）形状进行改进，令其更好地聚焦。这一步可以通过3D打印实现。
常日，为了肃清非近轴光芒带来的像差，人造光学成像系统每每须要引入繁芜的构造设计：比如一台单反相机，镜头常日由5片乃至5片以上的透镜组成；而要得到超宽的视角，则须要采取广角镜头，这样形成的图像常日是曲面的（称作“像场波折”）。由于场曲的存在，平面传感器无法对图像全面聚焦。
像场波折：图像聚焦不在一个平面上（左图中蓝亮线为“像”，右图为平面聚焦效果，像的边缘或中央无法同时聚焦）| Opto-e.com
而人眼视网膜正是波折的凹半球形状，可以对场曲进行完美补偿。这种无需引入繁芜光学系统的分外形状，是大自然的完美设计。
以是，是否可以仿照人眼视网膜的构造，来设计“曲面人工视网膜”呢？
空想很丰满，但工程实现却很难：传统图像传感器采取微电子平面工艺，利用的硅晶圆等半导体材料都是刚性且扁平的，要把它们做成分外的波折形状，得想点其他办法。
好在美国明尼苏达大学的McAlpine教授迎难而上，提出了可行办理方案。他的母亲不幸罹患失落明，在为母亲调研仿生眼技能时，他惊奇地创造，自己所善于的3D打印技能，恰好可以办理制造波折人工视网膜的技能难题。
2018年，McAlpine采取3D打印机在半球形的玻璃表里面上，打印出了有机光电探测器阵列，形成了曲面图像传感器。
这让McAlpine和他的母亲欣喜不已。每当McAlpine评论辩论他的事情时，老太太就会充满期待地问：“你什么时候打印我的仿生眼？”
McAlpine教授和他的3D打印仿生眼 | Wired.com
但遗憾的是，McAlpine打印出的曲面图像传感器目前仅有17个像素（对应17个光电探测器），像素间距仅在毫米级，成像单元密度远远无法知足视觉哀求。
McAlpine教授的仿生眼：每个光电探测器（左边红圈）对应1个像素 | Advanced Materials
McAlpine正在持续改进3D打印技能，希望早日为母亲和更多失落明患者打印出高成像单元密度的仿生眼。
第二个改进方向是，利用新材料与纳米技能，提高成像单元密度，让仿生眼比肩乃至超越人眼。这也是本篇宣布的着眼点。
在今年5月《自然》杂志宣布的一项新研究中，喷鼻香港科技大学宣告，他们采取新材料和纳米技能，制造出了高成像单元密度的半球形人造视网膜。
他们利用充满眇小孔隙的半球形氧化铝薄膜框架，利用钙钛矿（一种用于太阳能电池的明星材料）在孔隙中制备纳米线光电探测器，然后固定在3D打印的半球人工眼窝上，再用细而软的液态金属线将光电旗子暗记导出。
纳米线光电探测阵列，实现高密度半球人工视网膜 | 喷鼻香港科技大学
该技能的最大的亮点在于，在半球形框架上成功制备了高密度的纳米线光电探测器来模拟人眼视网膜上的视细胞，每平方厘米的纳米线光电探测器数量可达四亿六千万个，比人眼视网膜上的视细胞密度（每平方厘米约一千万个）还高四十多倍。
并且，它的视野范围达到了前所未有的100°，已经十分靠近静态人眼的垂直视野（130°）；同时，还具有超快的相应和规复速率（分别只需19.2毫秒和23.9毫秒）；以及良好的弱光相应特性，每秒86个光子入射即有良好光相应。可以说，总体性能已经不输人眼。
未来仿生眼技能，让超级视觉成为可能
但仿生眼的故事不止于此。它还可以用来改进正凡人的自然视觉，帮助打造超级视力！
首先是在电磁波谱上，它可以让人类瞥见非可见光。人眼所能看到的光波终年夜约在380～780纳米，而红外光、紫外光等超越此范围的电磁波都无法被人眼感知。
但如今的科技，已经打造出可以探测各种波长的传感器。如果将其装进仿生眼，人类即可得到对红外、紫外乃至X射线的感知，夜视和透视能力将不是传说。
此外，仿生眼技能还可以用在机器视觉和消费类电子产品中，在人工智能加持下，运用前景无限广阔。
装着仿生眼的机器人 | 电影《I, Robot》
不过，要让这些变成现实，还有许多困难要战胜。这个中最大的问题是，如何将仿生眼产生的电旗子暗记准确转换为大脑可以理解的形式，让仿生眼与人类视觉系统能够高效协同事情。
还有生物相容性、利用寿命、色彩还原能力、电力续航等，也是须要综合考虑的问题。
总的来说，只管人类要得到超级视觉，还有很长一段路要走。但至少在未来多少年里，我们可以期待仿生眼帮助失落明患者掀开面前的“帘”，带他们领略四季变换、阅读浩瀚书海，让他们感想熏染到科技温度，瞥见天下就在面前。
参考文献
[1] Gu L L,Poddar S, Lin Y J, et al. A biomimetic eye with a hemispherical perovskitenanowire array retina, Nature, 581: 278, 2020.
[2] Park SH, Su R T, Jeong J, et al. 3D Printed Polymer Photodetectors, Advanced Materials, 30: 1803980, 2018.
[3] https://www.who.int/zh/news-room/detail/08-10-2019-who-launches-first-world-report-on-vision
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