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《自然》杂志刊发中美人造眼技术新突破,分辨率有望高于人眼

  近日,学术期刊《自然》描述了一款模仿人眼结构人造眼,具有获得高分辨率图像的潜力,有望应用于机器人和科学仪器领域。《自然》评价称其整体性能代表了人造眼设备的一次飞跃。

  人眼视野开阔、分辨率高,而且对光高度敏感,这些优势大多得益于视网膜的圆顶形状和其中集聚的众多感光细胞。模仿这些特征是机器人学和人工视觉设备的重点和难点。

  在最新研究中,科研人员提出了一种由高密度纳米线阵列组成的半球形人工视网膜,其中的纳米线由太阳能电池材料钙钛矿制成,可以模拟人类视网膜上的光感受器。他们将这种视网膜应用到电化学眼睛中,后者能够执行获取图像模式的基本功能

  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。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)。

  


  图1:仿生人造眼

  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

  《自然》为这篇论文刊发的新闻评论称,这款人造眼对人眼结构的模仿令人印象深刻,但真正让它从众多人造眼设备中脱颖而出的原因是,它的许多感官能力比天然视网膜更有优势。

  例如,这款人造视网膜可以探测到大范围的光强度,从每平方厘米0.3微瓦到50微瓦。在最低测量强度下,人造视网膜上的每根纳米线平均每秒可检测86个光子,与人类视网膜光感受器的灵敏度相当。

  在早前的人工视网膜中,光传感器通常先在平坦、坚硬的基底上制造,然后被转移到弯曲的支撑面上,或者折叠成弯曲的形状。这一过程限制了光传感器成像单元的密度,因为需要预留空间以便转移或折叠。

  但在这款最新的人工视网膜中,纳米线被直接放置在曲面上,可以彼此更紧密地排列在一起。设计中,人造视网膜的纳米线密度高达 4.6×10^8/平方厘米,远高于人眼视网膜中的光感受器密度(约10 ^7/平方厘米)。

  


  图3:人眼视觉系统与人造电子眼成像系统的综合比较

  “顾和同事设计的人造眼的整体性能代表了这类设备的一次飞跃,但仍有许多工作要做。” 《自然》评价称,为提高视网膜的分辨率,需要减小液态金属丝的尺寸。目前,液态金属丝的外径约为700微米,但理想情况下,应该达到几微米的尺度。此外,还需要更多测试来确定人工视网膜的使用寿命


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