半球形视网膜助推的仿生眼

科幻小说经常以带有假眼的机器人为特色，以及与人脑对接以恢复盲人视力的仿生眼睛。人们已经做出了很多努力来开发这样的设备，但制造人类眼睛的球形-特别是半球视网膜-是一个巨大的挑战，严重限制了人造眼睛和仿生眼睛的功能。在“自然”杂志上发表的一篇论文中，Gu等人。1报道了一种创新的凹形半球形视网膜，它由一组纳米级的光传感器(光传感器)组成，它模仿人类视网膜中的光感受器细胞。作者在电化学眼中使用这种视网膜，它具有与人眼相当的几种能力，并执行获取图像模式的基本功能。

人眼的半球形视网膜，其光学布局比相机中的平面图像传感器更巧妙：视网膜的圆顶形状自然减少了通过镜头的光线的扩散，从而使焦点变得清晰。Gu和他的同事的仿生电化学眼的核心组件是作为视网膜的高密度光电传感器阵列(图1)。光敏元件直接形成在氧化铝(Al2O3)半球形膜的内部。

由液体金属(共晶镓铟合金)制成的细而柔软的导线密封在软橡胶管中，将信号从纳米线光电传感器传输到外部电路进行信号处理。这些电线模仿连接人眼和大脑的神经纤维。液态金属线和纳米线之间的一层铟改善了两者之间的电接触。人造视网膜由有机硅聚合物制成的插座固定在适当的位置，以确保电线和纳米线之间的正确对准。

一个镜片和人造虹膜结合在一起，放在设备的前面，就像人眼一样。背部的视网膜与前部的半球状外壳结合形成一个球形室(“眼球”)；正面的半球状外壳由铝制成，内衬一层钨膜。这个房间充满了一种离子液体，它模仿玻璃体的体液--这种凝胶填充了人眼中晶状体和视网膜之间的空间。这种布置对于纳米线的电化学操作是必要的。假眼和人眼的总体结构相似，为顾和同事的设备提供了100°的宽广视野。相比之下，静止人眼的垂直视场大约为130°。

顾和同事们的假眼的结构模仿当然令人印象深刻，但让它真正从之前报道的设备中脱颖而出的是，它的许多感官能力都可以与天然假眼相媲美。例如，人造视网膜可以检测到很大范围的光强度，从每平方厘米0.3微瓦到50毫瓦。在测量到的最低强度下，人工视网膜中的每根纳米线平均每秒探测86个光子，与人类视网膜中光感受器的灵敏度相当。这种敏感性来自于用于制造纳米线的钙钛矿材料。钙钛矿化合物是一种非常有前途的光电子学和光子学应用材料。2.顾等人使用的钙钛矿材料。是甲酰胺类的碘化铅，因其优异的光电性能和良好的稳定性而被选用。

纳米线的响应度(测量每瓦特入射光产生的电流)对于可见光的所有频率几乎是相同的。此外，当纳米线阵列受到规则的、快速的光脉冲刺激时，它可以在仅19.2毫秒内响应脉冲产生电流，然后在脉冲结束时只需要23.9ms就可以恢复(返回到其非激活状态)。反应和恢复时间是重要的参数，因为它们最终决定了假眼对光信号的反应速度。作为比较，人视网膜中光感受器的反应和恢复时间在40到150 ms之间。

也许最令人印象深刻的是顾和同事的人工视网膜实现的高分辨率成像，这是由于纳米线阵列的高密度造成的。在以前的人造视网膜中，光传感器首先是在平坦、坚硬的基板上制造的；之后，要么将它们转移到弯曲的支撑面3上，要么将基板折叠成曲线4。这限制了成像器单元的密度，因为它们之间必须留出空间，以便转移或折叠。

相比之下，Gu和同事设备中的纳米线直接形成在曲面上，这使得它们可以更紧密地组装在一起。事实上，纳米线密度高达4.6 × 10 8 cm-2，远远高于

顾和同事们的假眼的整体性能代表着这类设备的一次飞跃，但仍有很多工作要做。首先，光电传感器阵列目前只有10 × 10像素，像素之间有大约200µm的间隙；这意味着光探测区域只有大约2 mm宽。此外，制造过程涉及一些昂贵和低通量的步骤-例如，使用一种被称为聚焦离子束蚀刻的昂贵过程来准备用于纳米线形成的每个孔。未来必须开发高通量制造方法，以大幅降低成本来生产更大的光电传感器阵列。

其次，为了提高视网膜的分辨率和大小，液态金属丝的尺寸需要减小。导线的外径约为700µm( µm)，但理想情况下应该与纳米线直径(几微米)相当。目前，将液态金属丝的直径减小到该尺寸是具有挑战性的。

第三，需要更多的测试来确定人工视网膜的工作寿命。Gu等人。报道称，其运行9小时后的性能没有明显下降，但其他电化学装置的性能可能会随着时间的推移而恶化。最后，作者指出，在离子液体浓度较高的情况下，他们的设备的响应和恢复时间会减少，但代价是光通过液体的透射。要解决这一问题，需要进一步优化离子液体组成。

然而，顾和他的同事的工作增加了过去几十年中取得的突破3-9，这些突破不仅是通过模仿相机般的眼睛(如人类的眼睛)实现的，而且是通过模仿类似昆虫的复眼实现的。考虑到这些进步，在未来十年内，我们可能会看到人工眼睛和仿生眼在日常生活中的广泛使用，这似乎是可行的。