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超級(jí)仿生眼問(wèn)世：部分性能超越人眼 完全替代還差得遠(yuǎn)
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【世界機(jī)械網(wǎng)】 時(shí)間：2020-06-23 來(lái)源：科技日?qǐng)?bào) 【收藏本頁(yè)】
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經(jīng)過(guò)測(cè)試，該人工視網(wǎng)膜的光敏感度效果與人類的視網(wǎng)膜幾乎相當(dāng)。同時(shí)，它的感光細(xì)胞比人眼視網(wǎng)膜的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間要短得多。
在科幻電影里經(jīng)常出現(xiàn)這樣的場(chǎng)景：擁有仿生眼的智能機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)距離精準(zhǔn)打擊；視覺(jué)受損的盲人，通過(guò)植入仿生眼就能完全恢復(fù)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，必須要以優(yōu)秀的人工視網(wǎng)膜為基礎(chǔ)。近日，中國(guó)香港科學(xué)家聯(lián)合美國(guó)科研團(tuán)隊(duì)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，首次在外觀上成功模仿了人眼，某些指標(biāo)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(guó)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(duì)于人類來(lái)說(shuō)尤其重要。據(jù)了解，人類所獲取的環(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(zhuǎn)換成生物電信號(hào)，通過(guò)視神經(jīng)傳導(dǎo)到大腦皮層，大腦會(huì)自動(dòng)解析信號(hào)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(jù)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(xì)胞，其中1.3億個(gè)是桿狀的視桿細(xì)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(xì)胞，用以感覺(jué)強(qiáng)光和彩色視像。
福建醫(yī)科大學(xué)醫(yī)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(yī)學(xué)角度來(lái)看，如果把人的眼球比作一臺(tái)相機(jī)，角膜是鏡頭，視網(wǎng)膜就像是底片。視網(wǎng)膜上的圖像信號(hào)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(jī)，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(diào)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(tǒng)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(wěn)定的圖像；此外，人眼還具備自適應(yīng)光線能力，不論光線強(qiáng)度如何，都能夠自動(dòng)進(jìn)行亮度適應(yīng)。
凹半球形狀解決仿生眼圖像聚焦難題
當(dāng)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)法接收光線信息，無(wú)法產(chǎn)生視覺(jué)信號(hào)。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(jié)構(gòu)。
人眼視網(wǎng)膜構(gòu)成十分復(fù)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(duì)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?zhèn)鞲衅鱽?lái)捕捉曲面圖像，無(wú)法對(duì)圖像進(jìn)行完整聚焦，部分區(qū)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扮演“感光細(xì)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(gòu)成。
經(jīng)過(guò)測(cè)試，該人工視網(wǎng)膜的光敏感度效果與人類的視網(wǎng)膜幾乎相當(dāng)。同時(shí)，它還能在接受光刺激后的19.2毫秒內(nèi)作出響應(yīng)，并在23.9毫秒內(nèi)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，這比人眼視網(wǎng)膜中感光細(xì)胞40—150毫秒的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間要短得多。
全面替代人眼還有很長(zhǎng)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(xì)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(dá)到相應(yīng)的性能指標(biāo)，但是穩(wěn)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?shù)碾娮有盘?hào)，與人眼的生物信號(hào)并不完全一致，二者無(wú)法實(shí)現(xiàn)充分轉(zhuǎn)化，對(duì)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(hào)的工作機(jī)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(shù)。
此外，由于電化學(xué)設(shè)備的性能會(huì)隨著時(shí)間的流逝而下降，所以人工視網(wǎng)膜也需要更多的測(cè)試來(lái)完善，以延長(zhǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人眼，例如極限視覺(jué)距離、顯微視覺(jué)能力、紅外觀測(cè)能力等”，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)所仿生視覺(jué)實(shí)驗(yàn)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(fù)視覺(jué)，但至少能做到讓他們識(shí)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(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用還有待大力推廣，但是在智能機(jī)器人開(kāi)發(fā)方面，仿生眼與人工智能芯片的結(jié)合已經(jīng)成功開(kāi)展應(yīng)用。例如工業(yè)流水線上的機(jī)器人，可以在快速移動(dòng)的傳送帶上準(zhǔn)確地抓取物品。另外，仿生眼還有望應(yīng)用于無(wú)人駕駛、無(wú)人機(jī)導(dǎo)航、體育賽事全自動(dòng)跟拍等領(lǐng)域，讓未來(lái)的機(jī)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(jié)構(gòu)，而是直接利用攝像頭獲取圖像信息，然后由無(wú)線發(fā)射器將圖像傳送到眼球表面的人工視網(wǎng)膜上，并轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，通過(guò)電極刺激視覺(jué)神經(jīng)傳送信號(hào)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(guó)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(shí)”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(zhǎng)期失明導(dǎo)致視覺(jué)神經(jīng)萎縮的盲人，并不適合安裝這類裝置。
此外，這項(xiàng)技術(shù)達(dá)到的效果，也只是讓患者擁有簡(jiǎn)單的光感，看到類似打了“馬賽克”的黑白世界，缺乏鮮明的自然色彩，無(wú)法達(dá)到正常人眼所捕獲的圖像質(zhì)量。“經(jīng)過(guò)一定的訓(xùn)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)，則可能意味著眼前的東西是三角形。”黃焱說(shuō)。
本報(bào)記者 謝開(kāi)飛 通訊員 張 橋
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