《自然》刊發中美人造眼技術新突破,解像度有望高於人眼
2020年05月25日19:13

原標題:《自然》刊發中美人造眼技術新突破,解像度有望高於人眼

近日,學術期刊《自然》描述了一款模仿人眼結構的人造眼,具有獲得高解像度圖像的潛力,有望應用於機器人和科學儀器領域。《自然》評價稱其整體性能代表了人造眼設備的一次飛躍。

人眼視野開闊、解像度高,而且對光高度敏感,這些優勢大多得益於視網膜的圓頂形狀和其中集聚的眾多感光細胞。模仿這些特徵是機器人學和人工視覺設備的重點和難點。

在最新研究中,科研人員提出了一種由高密度納米線陣列組成的半球形人工視網膜,其中的納米線由太陽能電池材料鈣鈦礦製成,可以模擬人類視網膜上的光感受器。他們將這種視網膜應用到電化學眼睛中,後者能夠執行獲取圖像模式的基本功能。

這項研究由香港科技大學電子與計算機工程學系範智勇團隊、美國加州大學伯克利分校電氣工程和計算機科學系和美國勞倫斯伯克利國家實驗室材料科學部的研究人員合作完成。第一作者是香港科技大學電子與計算機工程學系顧磊磊(Leilei Gu)。

研究人員表示,這種裝置可以通過重構人造眼觀察到的圖片(字母“E”“I”和“Y”)“看見”對象。

實驗中的概念驗證裝置解像度較低,因為納米線陣列只有100像素,每個像素含3條納米線。但研究人員認為,他們的設計有可能獲得比人眼更好的解像度,因為納米線的密度可以增加到人眼光感受器的10倍以上。

《自然》為這篇論文刊發的新聞評論稱,這款人造眼對人眼結構的模仿令人印象深刻,但真正讓它從眾多人造眼設備中脫穎而出的原因是,它的許多感官能力比天然視網膜更有優勢。

例如,這款人造視網膜可以探測到大範圍的光強度,從每平方釐米0.3微瓦到50微瓦。在最低測量強度下,人造視網膜上的每根納米線平均每秒可檢測86個光子,與人類視網膜光感受器的靈敏度相當。

在早前的人工視網膜中,光傳感器通常先在平坦、堅硬的基底上製造,然後被轉移到彎曲的支撐面上,或者摺疊成彎曲的形狀。這一過程限製了光傳感器成像單元的密度,因為需要預留空間以便轉移或摺疊。

但在這款最新的人工視網膜中,納米線被直接放置在曲面上,可以彼此更緊密地排列在一起。設計中,人造視網膜的納米線密度高達 4.6×10^8/平方釐米,遠高於人眼視網膜中的光感受器密度(約10 ^7/平方釐米)。

圖3:人眼視覺系統與人造電子眼成像系統的綜合比較

“顧和同事設計的人造眼的整體性能代表了這類設備的一次飛躍,但仍有許多工作要做。” 《自然》評價稱,為提高視網膜的解像度,需要減小液態金屬絲的尺寸。目前,液態金屬絲的外徑約為700微米,但理想情況下,應該達到幾微米的尺度。此外,還需要更多測試來確定人工視網膜的使用壽命。

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