領域突破:中國科學家發明納米線仿生眼球,活體實驗計劃已提上日程
2020年08月14日09:15

  來源: DeepTech深科技

  “我是一個科幻迷,很早就開始看《終結者》《星際迷航》這類的科幻電影了,我覺得科幻電影中的機器人看起來未來感十足,機器人的仿生眼也都特別酷炫 。。。。。。” 香港科技大學電子與計算機工程系範智勇教授如是說。

  正是源於這樣一個科幻夢,範智勇及其團隊在自 2011 年以來的近 10 年時間內,一直專注於仿生眼的突破性研究。

圖|由阿諾·施瓦辛格飾演的 “終結者”(來源:《終結者》劇照)
圖|由阿諾·施瓦辛格飾演的 “終結者”(來源:《終結者》劇照)

  不久前,範智勇團隊在國際頂級科學期刊《自然》(Nature)雜誌上發表的一篇題為 “A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina” 的論文中,提出了一種 “新型納米線球形仿生眼” 的概念,這一研究成果得到了業界同行專家的高度認可,被評述為 “過去幾十年來仿生眼開發的重要突破”。

  論文的第一作者、香港科技大學電子與計算機工程系顧磊磊博士告訴 DeepTech,人眼功能之所以遠超現有的成像設備,一個重要原因是其不同尋常的球狀結構,“但當前的半導體製造基於平面工藝,無法加工此種球面器件”。

  在範智勇、顧磊磊等人的工作中,他們打破常規,將柔軟的鋁衝壓為半球狀,採用一種 “陽極氧化” 的技術將其轉變為相應形狀的多孔氧化鋁納米模板,之後採用化學氣相沉積的方法將納米線長在納米孔道內,從而形成高密度、半球狀分佈的半導體納米線陣列,用以模仿核心視網膜,之後配合離子液體、液態金屬等新型材料,結合 3D 打印等新興科技,成功製備出球形電化學仿生眼,這一突破性方法有望使機器和人獲得接近人眼的高性能視覺。

圖|範智勇(右三)、顧磊磊(右二)及其科研團隊(來源:香港科技大學)
圖|範智勇(右三)、顧磊磊(右二)及其科研團隊(來源:香港科技大學)

  對此,範智勇表示,該仿生眼不僅可以用做義眼(即人工植入假眼)幫助視覺殘障人士重獲光明,在手機、相機、無人機和自動駕駛等諸多領域也應用廣泛。

  此外,該仿生眼還可以用來提升智慧城市的整體智能化水平。“相比於當前主流的平面鏡頭,球形仿生眼的成像效果更好,可以提高輸入數據的數量與質量,進一步提高 AI 系統輸出信息的豐富度與準確性,而且由於數據整體質量提高,AI 系統的算法也可以更加簡化,從而降低開發成本。” 顧磊磊說。

  在航空航天領域,仿生眼也能發揮它的價值。航天器對自身的體積重量有嚴格的要求,如果使用傳統相機,要達到超廣角甚至 360° 全景成像,需要使用很多鏡頭組,或者像火星車一樣,使用少量鏡頭但需要大範圍旋轉,前者需要更多鏡頭,後者需要馬達驅動系統,兩種方案無疑都會增加航天器的能耗和重量。範智勇表示,“球形仿生眼,尤其是仿生複眼,視角接近 360°,以之取代平面鏡頭,可以大大簡化鏡頭的設計,降低整體質量和體積。”

  此外,在範智勇看來,由於仿生眼所用材料的光譜響應範圍比人眼的光譜響應範圍更寬廣,人類借助仿生眼甚至可以看到紅外線和紫外線。

  他告訴 DeepTech,大疆創新的無人機、港科大的自動駕駛項目、商湯科技的機器視覺研究和華為的手機鏡頭,都可能是 “仿生眼” 的潛在應用場景,目前正在探討具體的合作方式。

  有望打破國外技術壟斷

  “仿生眼是一個特殊的光電探測器件。” 範智勇說。

  一直以來,範智勇都始終聚焦於做發光器件和光電探測器件等光電研究,他的另一個身份,是先進顯示與光電子技術國家重點實驗室的成員。

  早在 2011 年,範智勇就想基於人眼的生物學特徵創造一種全新的光電器件,但因為這一 “非常科幻” 的想法在當時面臨著太多的挑戰,並沒有迅速推進下去。2011-2016 年間,範智勇和其學生顧磊磊在這方面做了很多基礎性工作,才逐漸有了一些技術積累和科研成果,仿生眼的研究就這樣慢慢起步了。如今,他們已經做出了仿生眼的原型,當初來自科幻電影的夢想正慢慢得以實現。

圖|仿生眼的感應圖像(來源:香港科技大學)
圖|仿生眼的感應圖像(來源:香港科技大學)

  當前,他們正致力於推動仿生眼在機器視覺提升和人眼視覺障礙治療等方面的應用。

  他們希望可以從科幻電影中獲得靈感,真正地把仿生眼用在機器人上。與人眼一樣,球狀仿生眼不僅可以快速轉動,還具有 150-160° 的視角,同時也能避免人眼中由於視網膜倒裝造成的光損失及盲點問題。從理論上講,仿生眼的成像效果要優於當前的手機鏡頭和廣角相機,能以更大角度採集場景數據,在機器人、無人機、無人駕駛等領域具有很好的應用前景。

  同時,他們也在實踐中發現,仿生眼同樣可以用來造福人類。

  來自世界衛生組織(WHO)等機構的數據顯示,全球範圍內已有 50 多億眼科疾病患者,其中中國有 10.8 億;目前全球眼科市場規模超過了 500 億美元,中國的眼科市場總體規模已經由 2015 年的近 1000 億人民幣增長到了 2019 年的 1700 億人民幣,年化增長率高達 14% 左右。

圖|眼科疾病患者人數和市場規模(來源:劉利劍 & 範智勇)
圖|眼科疾病患者人數和市場規模(來源:劉利劍 & 範智勇)

  可見,當前全盲、半盲和視覺殘障人士對仿生眼有著非常急切的需求。

  人工視網膜是 “仿生眼” 的核心部件,對於一些與老齡化相關的疾病,比如因視網膜內的視細胞退化不能產生有效的電刺激,進而無法產生神經信號,當前的解決方法是,把人工視網膜貼到人的視網膜的前面或者後面,用電極或光電探測器替代視細胞產生電刺激,進而產生神經信號,最終傳遞到大腦。但是,當前國內眼科類手術中所使用的技術和設備基本上都來自國外,我國的原創技術較少。更重要的是,即使是國外的器件,手術後視覺恢復效果也並不好。

圖|主要眼科疾病市場規模(來源:劉利劍 & 範智勇)
圖|主要眼科疾病市場規模(來源:劉利劍 & 範智勇)
圖|主要眼科疾病市場規模(來源:劉利劍 & 範智勇)
圖|主要眼科疾病市場規模(來源:劉利劍 & 範智勇)

  範智勇希望,他們的研究可以幫助這些眼病患者修復視網膜甚至取代整個眼球,同時也希望他們做出的仿生眼具有同等甚至超越人眼的功能。實驗數據顯示,目前他們做出的仿生眼,響應速度比人眼快一倍,最高解像度可達人眼的 6 倍,且這一半導體器件的靈敏度還可以繼續提高。

  在與中國內地和中國香港的醫生認真討論後,他們將納米線陣列放在視網膜前面或後面,通過納米線陣列本身產生的電壓信號或電流信號來刺激人體受損的感光細胞。

圖|仿生視網膜(藍色)、離子液體和液態金屬纖維構成球形 “仿生眼”(來源:範智勇)
圖|仿生視網膜(藍色)、離子液體和液態金屬纖維構成球形 “仿生眼”(來源:範智勇)

  如果眼球已經完全壞掉,他們將來會採取腦機接口等更激進的方法,直接使用人工眼替代眼球,通過金屬導線與金屬電極陣列相連,貼在視神經中樞上,形成直接刺激。

圖|全眼球替換方案(來源:範智勇)
圖|全眼球替換方案(來源:範智勇)

  目前,美國和德國開發的人工視網膜,由於效果差、費用高,實際採用的人比較少。“仿生眼的材料成本很低,其實可以忽略不計,但目前在美國或德國做一次的成本大概為 100 萬人民幣,我們有信心把這個數字降低。” 範智勇說。

  增強視覺的“隱形眼鏡”或最早獲得應用

  儘管已經實現了技術上的突破,也得到了業界專家的高度認可,但在顧磊磊看來,這一研究還處於非常早期的階段,仍需進一步開展大量的基礎工作。“之前的工作只是相當於把架子搭起來,建立一個模型,內部的材料、器件結構還沒優化,目前還只是黑白色的成像效果,仍需繼續添加人眼可觀察的紅綠藍和動物能看到的紫外線和紅外線。”

  顧磊磊表示,用於機器的仿生眼理論上的解像度可以做得很大,只需提高納米線的密度就可以,但目前後端電極部分的密度還不夠大,像素的總體密度也不夠大,成像解像度還不夠高,之後可以把電極做小、做細。另外,在算法層面,如果有足夠多的像素點,就會產生足夠量的數據,但如何有效收集、如何高效處理這些數據,還需要在 AI 算法方面繼續做優化,從而達到或超過人眼水平;如果要作為人工視網膜植入人眼,他們還需要測試改進材料的生物相容性和電化學穩定性,目前正在準備開展相關的動物實驗。

圖|範智勇團隊示範電化學仿生眼的運作原理(來源 :香港科技大學)
圖|範智勇團隊示範電化學仿生眼的運作原理(來源 :香港科技大學)

  範智勇也認為,人人都能佩戴仿生眼的時刻,還遠未到來。

  “也許大概在 10 年之後,我們就可以通過佩戴類似於隱形眼鏡一樣的器件獲得視覺增強的功能,可以看到紅外線、紫外線,可以獲得高解像度、高解析度的圖像,但要實現人人都可移植仿生眼的科幻夢,還需要很長時間,即使在技術上得以實現,也還需要考慮一些法律、法規問題。”

  如今,他們已經製定了一個 10 年計劃,5 年內完成體外實驗和動物實驗,之後 5 年完成人體實驗。至於成本,範智勇認為,將取決於他們在未來 10 年中投入了多少資金,有多少人使用這項技術,而後者又取決於這項技術相比於美國和德國的技術是否更好用,“用的人多了,單個成本也就低了。當然,我們可能會成功,也可能會失敗。”

  但正是顧磊磊近幾年在這一領域做出的基礎性研究成果,讓我們離實現仿生眼這一科幻夢更接近了一些。

  “我來自不足 300 人的小山村”

  顧磊磊出生在一個不足三百人的小山村,在他的印象里,那裡有山無水、有草無路。“我的求學生涯開始於一座小廟改成的小學里,三個年級的二十個人擠在一個小教室里上課,教室與戲台共用一個院子,每年村里唱大戲時,因為院子會被來看戲的觀眾占滿,我們就會被迫停課。” 但就算這樣,顧磊磊還是衝出了小山村來到了上海,在複旦大學完成了 7 年的學生生涯。

  “2010 年,範智勇教授來複旦大學做講座,一個個精妙的想法、一個個新穎的器件完全顛覆了我的認知。碩士畢業後,我就加入了範教授的團隊,從博士到博士後,一直在跟隨範教授做仿生眼的研究。” 顧磊磊說。

  從碩士開始,顧磊磊一直聚焦於一維納米結構或材料的傳感器研究,至今已經超過十年。“不同階段都有不同的側重點,總體趨勢是在推動納米線傳感器向高性能、實用化的方向發展。”

  碩士期間主要研究方向為一維納米結構氣敏傳感器。在這時期主要研究單根納米線器件的氣敏性質。通過材料修飾、器件設計得到高性能氣敏器件,但這些器件多為分立的單個器件。代表成就為製備了 ZnO/TiO₂ 核殼結構高性能濕度傳感器。

  讀博期間,開始注重集成這一問題,主要研究基於一維集成納米結構的新型光電子學。“納米線性能優越,文獻中也報導了很多高性能納米線器件,但由於缺乏有效的手段對納米線進行排列集成,所得器件的密度低、器件與器件之間差異大,無法實用。” 為解決這一瓶頸問題,我開始直接生長排列整齊的納米線陣列,並將其組裝成集成的光電器件。”這一階段的代表成就為製備了集成 1024 個像素點的基於三維納米線陣列的圖像傳感器。

  在博士後階段,顧磊磊則專注於基於納米結構的仿生光電子學。他希望將生物體中經過數百萬年自然選擇的獨特性質與現代納米科技結合起來,從而治療某些生理疾病或進一步提高器件的性能。代表成就為基於納米線陣列的球形電化學仿生眼。

  顧磊磊表示,之後他將開始獨立的科研生涯,帶領團隊繼續深紮這一領域。

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