超級仿生眼問(wèn)世 部分性能超越人眼，完全替代還差得遠

　　經(jīng)過(guò)測試，該人工視網(wǎng)膜的光敏感度效果與人類(lèi)的視網(wǎng)膜幾乎相當。同時(shí)，它的感光細胞比人眼視網(wǎng)膜的響應和恢復時(shí)間要短得多。

　　在科幻電影里經(jīng)常出現這樣的場(chǎng)景：擁有仿生眼的智能機器人可以實(shí)現對目標的遠距離精準打擊；視覺(jué)受損的盲人，通過(guò)植入仿生眼就能完全恢復視力……不要以為這只是編劇天馬行空的想象，實(shí)際上，科學(xué)家們一直致力于打造如電影中那樣理想化的仿生視覺(jué)裝置，并且已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。

　　高性能的仿生眼，必須要以?xún)?yōu)秀的人工視網(wǎng)膜為基礎。近日，中國香港科學(xué)家聯(lián)合美國科研團隊開(kāi)發(fā)出一款高密度半球型人工視網(wǎng)膜。研究人員表示，由該人工視網(wǎng)膜組裝的EC-EYE仿生眼，首次在外觀(guān)上成功模仿了人眼，某些指標理論上能與人眼媲美。前不久，該成果以論文形式發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

　　視網(wǎng)膜是人眼看清世界的關(guān)鍵

　　眼睛是地球上絕大部分生物重要的感覺(jué)器官，對于人類(lèi)來(lái)說(shuō)尤其重要。據了解，人類(lèi)所獲取的環(huán)境信息中，有大約80%來(lái)自于眼睛。

　　光從外界進(jìn)入眼球，經(jīng)過(guò)角膜、晶狀體、玻璃體，再聚焦到視網(wǎng)膜，視網(wǎng)膜將獲得的信息轉換成生物電信號，通過(guò)視神經(jīng)傳導到大腦皮層，大腦會(huì )自動(dòng)解析信號生成圖像，這就是視覺(jué)形成的整個(gè)過(guò)程。

　　人眼所具備的寬廣視域、高分辨率和高感光度等特性，很大程度上得益于視網(wǎng)膜。據了解，人眼的視網(wǎng)膜面積雖然還不到5平方厘米，但上面卻有1.37億個(gè)感光細胞，其中1.3億個(gè)是桿狀的視桿細胞，用以感覺(jué)弱光和黑白視像；700萬(wàn)個(gè)是錐體狀的視錐細胞，用以感覺(jué)強光和彩色視像。

　　福建醫科大學(xué)醫學(xué)技術(shù)與工程學(xué)院眼視光學(xué)系副主任黃焱指出，從醫學(xué)角度來(lái)看，如果把人的眼球比作一臺相機，角膜是鏡頭，視網(wǎng)膜就像是底片。視網(wǎng)膜上的圖像信號傳到大腦中，就能形成人的腦海中的視覺(jué)印象。

　　但是，人的眼球又不同于相機，人眼中的圖像與外界環(huán)境也并不是像照鏡子一樣的簡(jiǎn)單映射關(guān)系。正常人的左右眼受大腦調控，能夠保持一定的位置關(guān)系，可以獲取全方位、多角度的不同圖像片段，再經(jīng)過(guò)大腦融合生成統一的環(huán)繞立體圖像；動(dòng)態(tài)環(huán)境中，甚至快速奔跑的狀態(tài)下，人眼依舊可以獲取穩定的圖像；此外，人眼還具備自適應光線(xiàn)能力，不論光線(xiàn)強度如何，都能夠自動(dòng)進(jìn)行亮度適應。

　　凹半球形狀解決仿生眼圖像聚焦難題

　　當前造成大部分患者失明的主要原因就是視網(wǎng)膜退行性病變。一旦視網(wǎng)膜受損，人眼就無(wú)法接收光線(xiàn)信息，無(wú)法產(chǎn)生視覺(jué)信號。仿生眼能否幫助人“看清世界” 的關(guān)鍵之一，就在于是否能模擬精密的人眼視網(wǎng)膜結構。

　　人眼視網(wǎng)膜構成十分復雜，尤其是視網(wǎng)膜的凹半球形狀，歷來(lái)是仿生眼研制難以突破的一大難題。

　　人眼的晶狀體呈彎曲狀，光線(xiàn)通過(guò)晶狀體后會(huì )發(fā)生彎曲，這樣形成的圖像通常是曲面的，人眼視網(wǎng)膜恰好可以對曲面圖像進(jìn)行完美捕捉，但以往的視覺(jué)裝置是利用平面傳感器來(lái)捕捉曲面圖像，無(wú)法對圖像進(jìn)行完整聚焦，部分區域會(huì )模糊不清。

　　本次中美研究者發(fā)明的半球型人工視網(wǎng)膜通過(guò)制造成凹半球形狀，成功解決了圖像無(wú)法聚焦的難題。

　　在制造過(guò)程中，他們使用了一種鈣鈦礦光敏納米線(xiàn)扮演“感光細胞”，通過(guò)將其緊密排布在半球狀襯底上來(lái)模擬人眼視網(wǎng)膜的構成。

　　經(jīng)過(guò)測試，該人工視網(wǎng)膜的光敏感度效果與人類(lèi)的視網(wǎng)膜幾乎相當。同時(shí)，它還能在接受光刺激后的19.2毫秒內作出響應，并在23.9毫秒內恢復到原來(lái)的狀態(tài)，這比人眼視網(wǎng)膜中感光細胞40—150毫秒的響應和恢復時(shí)間要短得多。

　　全面替代人眼還有很長(cháng)的路要走

　　那么這種仿生眼可以完美替代人眼嗎？答案是否定的。

　　黃焱指出，正常人眼感光細胞能夠感受到的發(fā)光點(diǎn)約100萬(wàn)個(gè)左右，這些發(fā)光點(diǎn)能夠組成清晰的圖像。而人工視網(wǎng)膜雖然可以達到相應的性能指標，但是穩定性還難以保障。

　　此次引發(fā)轟動(dòng)的仿生眼獲取圖像的能力雖然有了大幅提升，但是仿生眼傳輸的電子信號，與人眼的生物信號并不完全一致，二者無(wú)法實(shí)現充分轉化，對中樞神經(jīng)的刺激效果也有所不同。目前的研究還沒(méi)有完全破解大腦處理生物信號的工作機制，所以人工視網(wǎng)膜何時(shí)才能完全替代人眼視網(wǎng)膜，還是個(gè)未知數。

　　此外，由于電化學(xué)設備的性能會(huì )隨著(zhù)時(shí)間的流逝而下降，所以人工視網(wǎng)膜也需要更多的測試來(lái)完善，以延長(cháng)使用壽命。

　　雖然不能完全替代人眼，但是“在不考慮體積、功耗的情況下，仿生眼的部分性能可以遠遠超過(guò)人眼，例如極限視覺(jué)距離、顯微視覺(jué)能力、紅外觀(guān)測能力等”，中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)所仿生視覺(jué)實(shí)驗室主任張曉林說(shuō)，人工視網(wǎng)膜雖然還無(wú)法讓失明患者完全恢復視覺(jué)，但至少能做到讓他們識別物體模糊形狀等， 一定程度上方便患者的日常生活。

　　同時(shí)，張曉林指出，雖然仿生眼在醫學(xué)領(lǐng)域的應用還有待大力推廣，但是在智能機器人開(kāi)發(fā)方面，仿生眼與人工智能芯片的結合已經(jīng)成功開(kāi)展應用。例如工業(yè)流水線(xiàn)上的機器人，可以在快速移動(dòng)的傳送帶上準確地抓取物品。另外，仿生眼還有望應用于無(wú)人駕駛、無(wú)人機導航、體育賽事全自動(dòng)跟拍等領(lǐng)域，讓未來(lái)的機器人更加智能。

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　　人造視覺(jué)裝置并非適合所有盲人

　　科學(xué)家曾研制出模擬人眼功能的視覺(jué)裝置，不需要角膜、晶狀體、玻璃體這些結構，而是直接利用攝像頭獲取圖像信息，然后由無(wú)線(xiàn)發(fā)射器將圖像傳送到眼球表面的人工視網(wǎng)膜上，并轉換為電脈沖信號，通過(guò)電極刺激視覺(jué)神經(jīng)傳送信號到大腦。

　　例如，2010年， 一家名為“第二視覺(jué)”的公司把一種叫做“阿格斯II型”的人造視覺(jué)裝置植入68歲英國退休工程師埃里克·塞爾比的右眼。此前，該患者因視網(wǎng)膜重度受損而失明了近20年，手術(shù)后，患者可以依稀“辨識”出人行道等部分場(chǎng)景。

　　但值得注意的是，那些先天性視覺(jué)受損以及長(cháng)期失明導致視覺(jué)神經(jīng)萎縮的盲人，并不適合安裝這類(lèi)裝置。

　　此外，這項技術(shù)達到的效果，也只是讓患者擁有簡(jiǎn)單的光感，看到類(lèi)似打了“馬賽克”的黑白世界，缺乏鮮明的自然色彩，無(wú)法達到正常人眼所捕獲的圖像質(zhì)量。“經(jīng)過(guò)一定的訓練后，患者才能從背景里分辨出一些簡(jiǎn)單物體，比如看到3個(gè)點(diǎn)，并且能同時(shí)移動(dòng)，則可能意味著(zhù)眼前的東西是三角形。”黃焱說(shuō)。