據報道，一種人造眼球將密集的納米級光傳感器集成到一個類似半球形視網膜的組件中。它的一些感官能力可與它的生物對手相媲美。

科幻小說中經常出現擁有人工眼睛的機器人，以及與人類大腦相連接以恢複盲人視力的仿生眼睛。人們已經花了很多精力來開發這種設備，但製造球形人類眼睛--尤其是半球形視網膜--是一個巨大的挑戰，嚴重限製了人工和仿生眼睛的功能。近日在Nature雜誌上發表的一篇論文中，香港科技大學的範誌勇團隊報道了一種創新的、凹性的半球形視網膜，它由一係列納米級的光傳感器(光感受器)組成，模仿了人類視網膜中的光感受器細胞。研究人員將這種視網膜應用於電化學眼睛，這種眼睛具有與人眼相當的多種功能，並且能夠完成獲取圖像模式的基本功能。

人眼的視網膜是半球形的，它的光學布局比照相機中的平麵圖像傳感器更加精巧：視網膜的穹頂狀自然減少了通過晶狀體的光線傳播，從而使焦點更加銳利。範誌勇團隊的仿生電化學眼的核心組成部分是作為視網膜的高密度光敏元件陣列。光敏元件直接在氧化鋁半球形膜(Al2O3)的孔隙內形成。

由液態金屬(共晶镓-銦合金)製成的細軟電線密封在軟膠管中，將信號從納米線光傳感器傳輸到外部電路進行信號處理。這些電線模擬了連接人類眼睛和大腦的神經纖維。液態金屬線和納米線之間的一層銦改善了兩者之間的電接觸。人工視網膜由一個由矽樹脂製成的插座固定，以確保電線和納米線之間的正確對齊。

與人造虹膜相結合的透鏡被放置在設備的前部，就像在人眼中一樣。後部的視網膜與前部的半球形殼相結合，形成一個球形腔體("眼球");正麵半球形外殼是由鋁內襯鎢膜。這個小室充滿了一種離子液體，它模仿了玻璃體的--這種凝膠填充了人眼晶狀體和視網膜之間的空間。這種排列對於納米線的電化學操作是必要的。人工眼和人眼的整體結構相似，這使使得這個設備擁有了100°的廣闊視野。相比之下，靜態人眼的垂直視野大約為130°。

這個人造眼球在結構上的模仿確實令人印象深刻，但使其真正從之前報道的設備中脫穎而出的是，它的許多感官能力與天然眼睛相比都是相當不錯的。例如，人造視網膜可以探測到大範圍的光強度，從0.3微瓦到每平方厘米50毫瓦。在被測量的最低強度下，人造視網膜中的每根納米線平均每秒能檢測到86個光子，與人類視網膜感光細胞的靈敏度相當。這種敏感性來自於用於製造納米線的鈣鈦礦材料。鈣鈦礦化合物是極有前途的材料，用於各種光電子和光子應用。研究人員使用的鈣鈦礦為甲脒鉛碘鹽，因其優異的光電性能和良好的穩定性而被選用。

納米線的響應率(測量入射光每瓦產生的電流)對於所有可見光譜的頻率幾乎是相同的。此外，當納米線陣列受到常規快速脈衝的刺激時，它可以在19.2毫秒內產生響應脈衝的電流，然後在脈衝結束時隻需23.9毫秒就可以恢複(回到非活動狀態)。反應和恢複時間是重要的參數，因為它們最終決定了人造眼球對光信號的反應速度。作為比較，人類視網膜感光細胞的反應和恢複時間在40到150毫秒之間。

也許最令人印象深刻的是這種人造視網膜的高分辨率成像，這是由於納米線陣列的高密度導致的。在以前的人工視網膜中，光感受器首先是在平坦堅硬的基底上製作的;之後，它們要麼被轉移到彎曲的支撐表麵上，要麼被折疊成彎曲的基底。這就限製了成像儀單元的密度，因為它們之間必須留有空間，以便傳輸或折疊。

相比之下，這個新設備中的納米線是直接在曲麵上形成的，這使得它們可以更緊密地結合在一起。事實上，納米線的密度高達460000000 cm-2，遠高於人類視網膜上的光感受器(約10000000 cm-2)。來自每個納米線的信號可以單獨獲取，但是當前設備中的像素是由三根或四根納米線組成的。

彌補人工視覺和觸覺之間的差距

這種人造眼球的整體性能代表了此類設備的一個飛躍，但仍有很多工作要做。首先，光電傳感器陣列目前僅為10×10像素，像素之間的差距大約為200 -?m;這意味著光探測區域隻有2毫米寬。此外，製造過程涉及一些昂貴和低通量的步驟-例如，研究人員使用一個稱為聚焦離子束蝕刻的昂貴過程來為每個納米線的形成準備孔洞。未來必須開發出高通量的製造方法，以大幅降低成本生產更大的光敏元件陣列。

第二，為了提高視網膜的分辨率和尺寸，液態金屬線的尺寸需要減小。電線的外徑是大約700 um，但這應該與納米線直徑(幾微米)相當。目前的挑戰是將液態金屬線的直徑減小到這個尺寸。

第三，需要更多的測試來確定人造視網膜的使用壽命。研究人員報道稱，在運行9小時後，其性能並沒有明顯下降，但其他電化學器件的性能會隨著時間的推移而下降。最後，作者注意到，在離子液體濃度較高的情況下，他們的裝置的響應和恢複時間會降低，但代價是光在液體中的傳輸。為了解決這個問題，需要進一步優化離子-液體的組成。

盡管如此，這項工作為過去幾十年3 - 9年間所取得的突破又添了一筆濃墨重彩，這一突破不僅是通過模仿像相機一樣的眼睛(比如人類的眼睛)實現的，也是通過模仿類似於昆蟲的複眼實現的。鑒於這些進展，我們似乎有可能在未來十年見證人工和仿生眼睛在日常生活中的廣泛應用。