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光敏纳米线、半球形视网膜:特别像人眼的仿生眼
作者:视普泰眼镜培训学院 点赞:0次 浏览:6 时间:2020-06-10

最新报道的人造眼拥有一个仿生视网膜的半球形组件,上面密集排布了纳米级光传感器。这个人造眼的部分感觉能力可与生物眼睛相媲美。 

科幻小说中经常出现拥有人造眼的机器人,还有能与人脑结合的仿生眼,给盲人带来光明。现实生活中,这类器件的开发倾注了研究人员大量的心血,但实现人眼的球形构造一直是一项巨大挑战,特别是半球形的视网膜,这种障碍严重制约了人造和仿生眼的功能。顾磊磊[1]等人在《自然》期刊上报道了一种创新性的半球形凹面视网膜,它由纳米级光传感器(感光器)组成,这些光传感器模拟了人类视网膜的感光细胞。作者将这个视网膜装在一个电化学眼中,使之拥有好几种堪比人眼的能力,还具备接收图像模式的基本功能。 

人眼的视网膜呈半球形,其光学布局比相机的平面图像传感器更为灵巧:视网膜的拱形构造能让光线穿过晶状体后不易发散,从而加强聚焦。顾磊磊等人的仿生电化学眼的核心组件是一组仿生视网膜的高密度感光器阵列(图1。这些感光器直接在半球形氧化铝Al2O3膜的孔隙中组装。


                                                    1|仿生人造眼

顾磊磊等人[1]报道了一个模拟人眼的人造视觉系统。一个透镜被固定在“眼球”的孔径上,“眼球”正面是金属壳,背部是一个人造视网膜,中间填充了一种离子液体。这里的关键创新是半球形的视网膜:一组密集的光敏纳米线阵列排布在一层氧化铝膜的孔隙中。纳米线模拟的是生物视网膜的感光细胞。一个聚合物制作的眼窝托住视网膜,确保纳米线可以和背部的液体金属线发生电接触。液体金属线模拟的是神经纤维,能够将纳米线的信号传输至外部电路进行信号处理。

细细的柔性线其实是一些软体橡胶管,里面密封了一种液态金属(镓铟共晶合金),能将纳米线感光器的信号传输至外部电路,进行信号处理。这些线模拟了连接人眼和大脑的神经纤维。液态金属线和纳米线之间有一层铟,可以增加两者之间的电接触。人造视网膜被固定在一个硅聚合物制作的眼窝上,确保液态金属线和纳米线之间能很好地对接。 


这个器件的正面放了一个连着人造虹膜的透镜,就和人眼的构造一样。背部的视网膜与前面的一个半球形壳形成了一个球形腔(即“眼球”);前面的铝制半球形壳内有一层钨膜。腔内填充了一种模拟玻璃体的离子液,玻璃体是人眼晶状体和视网膜之间的胶状体。这种设计对于发挥纳米线的电化学功能十分必要。人造眼和人眼结构的整体相似性,让顾磊磊等人的器件拥有100°的宽视场,而一个静态人眼的垂直视场大约在130°左右。 

顾磊磊等人的人造眼结构拟态令人印象深刻,但它和之前报道过的器件的真正区别在于,它的许多感觉能力更接近于天然眼睛。比如,这个人造视网膜可以探测到大范围光强——从每平方厘米0.3微瓦到50毫瓦。在测试的最低光强下,人造视网膜的每根纳米线平均每秒可探测到86个光子,与人类视网膜感光细胞的灵敏度不相上下。这种灵敏度来自于制作这些纳米线的钙钛矿材料,这类材料在各种光电子和光子应用方面具有巨大前景[2]。顾磊磊等人使用的钙钛矿是甲脒铅碘盐formamidinium lead iodide,选择它是看重它具有出色的光电特性以及良好的稳定性。 

纳米线的响应度responsivity测量的是每瓦入射光所产生的电流,这里的响应度对于可见光谱的所有频率几乎都一样。此外,当纳米线阵列受到规律快速的光脉冲刺激时,它在脉冲后19.2毫秒内就能产生电流;脉冲结束后,只要23.9毫秒就能恢复(回到不活跃的状态)。响应时间和恢复时间都是非常重要的参数,因为它们最终决定了这个人造眼对于光信号的反应速度。与之相比,人类视网膜感光细胞的响应和恢复时间为40毫秒到150毫秒。 

最值得称道的可能要数这个人造视网膜所能达到的成像分辨率——通过高密度纳米线阵列得以实现。在以往的人造视网膜中,感光器要先在平面刚性的介质上制作,再转移到弯曲的支撑面上[3]或是将介质折叠成曲面[4]。这限制了成像单元的密度,因为各单元之间必须留有孔隙,才能完成转移或折叠。 

相比之下,顾磊磊等人的人造眼的纳米线是直接在曲面上组装的,使它们之间可以紧密排列。实际上,纳米线的密度高达4.6 × 108 cm2,比人类视网膜(约10cm2的感光细胞更密。来自每根纳米线的信号都可以被独立接收,但这个人造眼的像素需要由三到四根纳米线组成。 

从整体性能来看,顾磊磊等人的人造眼较同类器件是一次巨大的飞跃,但接下来还有很多工作要做。首先,当前的感光器阵列只有10 × 10像素,像素间的距离大概在200微米左右;这意味着光检测区域只有大约2毫米宽。此外,制作工艺涉及一些费用高、吞吐率低的步骤,比如需要使用一种名为聚焦离子束刻蚀focused-ion-beam etching的昂贵技术来制备纳米线的每个孔隙。今后有必要开发出高吞吐率的制备工艺,能以低得多的费用大规模生产感光器阵列。

第二,为了提高视网膜的分辨率和比例尺,液态金属线需要变得更细。这些线的外径在700微米左右,但它最好能接近纳米线的直径(约几微米)。目前想把液态金属线缩小至这个尺寸还有难度。 

第三,需要开展更多测试来确定人造视网膜的操作寿命。顾磊磊等人称,人造视网膜的性能在运行九小时后并未出现明显下降,但其他电化学器件的性能会随时间退化。最后,作者称高浓度的离子液体能减少器件的响应时间和恢复时间,但会影响到光在液体中的传输。有必要对离子液体的成分做进一步优化,以解决这个问题。 

无论如何,顾磊磊等人的成果带来了该领域的最新突破,过去几十年的一系列研究[3-9]不仅模拟了类似相机的眼睛(如人眼),还模拟了类似昆虫的复眼。有了这些进展,我们足以相信未来十年,我们有望看到人造和仿生眼广泛应用于日常生活中。


参考文献:

1.Gu, L. et al. Nature 581, 278282 (2020).

2.Stranks, S. D. & Snaith, H. J. Nature Nanotechnol. 10, 391402 (2015).

3.Ko, H. C. et al. Nature 454, 748753 (2008).

4.Zhang, K. et al. Nature Commun. 8, 1782 (2017).

5.Jung, I. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, 17881793 (2011).

6.Liu, H., Huang, Y. & Jiang, H. Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, 39823985 (2016).

7. Floreano, D. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 110, 92679272 (2013).

8.Huang, C. C. et al. Small 10, 30503057 (2014).

9.Jeong, K. H., Kim, J. & Lee, L. P. Science 312, 557561 (2006).

 

原文以Artificial eye boosted by hemispherical retina为标题发表在2020520日的《自然》新闻与观点上


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