如何在半球形基底中制造纳米细丝阵列以形成该半球形视网膜？

人眼具有极广的视野、高分辨率、低像差和高灵敏度等特殊的图像感应特性。而具有这种特性的仿生眼睛是非常理想的，特别是在机器人和视觉假体技术中。但是，生物眼睛的球形特性，尤其是其核心部件视网膜，对仿生眼睛的制造提出了巨大的挑战。

新的人造眼的艺术家渲染。图片来源：Leilei Gu and Fantastic Color Animation Technology Co.， Ltd

构造弯曲的视网膜很重要，因为只有在穿过弯曲的透镜后，光线才能投射到视网膜上。威斯康星大学麦迪逊分校的电气工程师姜洪瑞说：“对某物成像时，实际上在镜头之后形成的图像是弯曲的。”如果人造眼配备一个扁平的传感器，那么图像将无法非常清晰地聚焦。” 视网膜是弯曲的，但是电子光传感器是刚性且平坦的。

钙钛矿是一种用于太阳能电池的导电和光敏材料，可用于制造极细的纳米细丝，其长度则为几个微米。香港科技大学的电子和计算机工程师范智勇说，这些细丝模仿了眼睛的细长的感光细胞的结构。“但是困难在于：如何在半球形基底中制造纳米细丝阵列以形成该半球形视网膜？”

为了解决这个问题，范智勇和他的同事们将软铝箔弯成半球形，然后将其转变为主要由氧化铝构成的绝缘体，同时在上面开出了密集的小孔，最终，研究人员得到了一种半球形的多孔透明绝缘模板，可以在其中“生长”钙钛矿纳米细丝。研究人员表示：“纳米线的密度非常高，甚至比人眼中感光体的密度还要高。”

图1：仿生人造眼

一旦他们有了弯曲的“视网膜”，科学家就将其整合到了人造眼中，该人造眼的前部包括一个弯曲的晶状体。受到真实的眼睛中特殊液体的启发，该团队在其仿生版本中填充了一种离子液体，一旦这些纳米细丝产生电荷，电荷将与某些离子交换。“这种电交换使钙钛矿纳米细丝可以执行电化学功能，以检测光并将该信号发送到外部图像处理电子设备。”

当团队测试人造眼时，它可以在短至19毫秒的时间内处理光的图案，这是人眼所需时间的一半。它产生的图像比具有相似像素数的平面图像传感器产生的图像具有更高的对比度和更清晰的边缘。在某些方面，人造眼可以改善自然视觉：它可以吸收更大范围的波长，并且没有盲点。

研究人员表示，这种装置可以通过重构人造眼观察到的图片（字母“E”“I”和“Y”）“看见”对象。实验中的概念验证装置分辨率较低，因为纳米线阵列只有100像素，每个像素含3条纳米线。但研究人员认为，他们的设计有可能获得比人眼更好的分辨率，因为纳米线的密度可以增加到人眼光感受器的10倍以上。

图2：人造眼的详细结构

生物医学公司Second Sight的临床和科学事务副总裁Jessy Dorn认为，这项研究很新颖，但是还没有看到如何将其与人类视觉系统联系起来。 她从事失明治疗设备的工作，包括称为Argus II的视网膜假体，并指出开发电子界面只是第一步，这样的设备将需要与人脑交互以产生图像。“这是更大的挑战之一：如何安全可靠地植入任何类型的高分辨率界面，然后再与人类视觉系统协同工作。”

这项研究由香港科技大学电子与计算机工程学系范智勇团队、美国加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系和美国劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部的研究人员合作完成，相关论文以“A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina”为题发表在Nature上，第一作者是香港科技大学电子与计算机工程学系顾磊磊（Leilei Gu）。
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