科大研发出世界首只具有三维视网膜的球状人造眼

9-06-2020

一支由香港科技大学(科大)科学家领导的国际团队,近日研发出全球首款3D人造眼,其功能不单比现时的义眼优胜,于某些情况下甚至能够超越人眼,为视障患者、失明人士以至人型机械人获取视力带来新希望。

Existing bionic eye
目前的义眼技术
数据源:采自美国加利福尼亚州希尔马Second Sight Medical Products, Inc.

多年来,科学家尝试复制与人眼结构及清晰度相符的生物眼,惟目前义眼技术仍主要停留在附有外置电线的眼镜模式,而所应用的是2D平面感光器,影像像素亦低。然而,由科大研发的「电化学仿生眼」,不仅首次复制了人眼的结构,更可能于不久的将来,提供比人眼更清晰的视力,以及包括红外线夜视等其他功能。

3D Artificial Eye Prototype
电化学仿生眼

电化眼所作出的突破,主要关键在于由科大电子及计算器工程学系范智勇教授和顾磊磊博士开发的一个3D立体人造视网膜,上面装有大量纳米线感光器,模拟人类视网膜中的感光细胞。团队以液态金属线模拟人类眼球后的神经线,于实验中将纳米线感光器连接到人造半球形视网膜后面一束束的金属在线,成功复制了视觉讯号的传输,将电化眼所看到的影像投射到计算机屏幕上。

Structure of human eye
人眼的结构
数据源:Virtual Medical Centre​​​​​

未来,纳米线感光器将直接被连系至视障患者眼球后的神经线。与电化眼不同,人眼感光细胞所收集到的讯号,会先聚集在视网膜的一点,再从视网膜前方往后传送到大脑,因而在人的视觉上形成盲点。但在人造视网膜上,由于每个散布在上面的感光器,都可独立透过其后方连接的液态金属线将讯号传送至大脑,无需经过视网膜的某一点,因而消除了盲点的问题。

除此之外,由于纳米线感光器在人工视网膜的密度比人类视网膜中的感光细胞更高,如果将来每个纳米线感光器都能与视觉神经线连接,人工视网膜将能接受更多光讯号,可以比人类视网膜具有更高解像度的潜力。如使用不同的材料来提高感光器的敏感度及可视光谱范围,人造眼还可具有包括夜视等其他功能。

Structure of EC eye
科大研发的电化学仿生眼(EC-Eye)的结构

 

由构思至今,团队共花了九年时间。领导是次研究的范教授说:「我一向热爱科幻故事,相信很多在譬如星际旅程小说中所提到的科技,有一天会成为现实。目前,无论于图像解像度、视野阔度及使用的方便程度,现时的仿生眼皆无法与人眼相比,我们迫切需要一个解决这些问题的新技术。这为我推展这个非常规科研项目提供了强大动力。」

了解更多关于构想如何变成是次研究 
Prof. FAN Zhiyong Leads His Team to Publish Sci Fi-Inspired 'Super Human Eye' Research in Nature (只有英文)

团队与加州大学柏克莱分校合作完成是次研究,并于近日在著名科学期刊《自然》上发表有关结果。 

范教授补充:「下一步,我们将进一步改善电化眼的性能、稳定性和生物兼容性。就人造义体的应用,我们期待与在眼科视光学和义眼方面具有相关专业知识的医学研究专家合作。」 

人造眼的运作原理涉及一种太阳能电池中的电化学反应程序。原则上,人造视网膜上的每个感光器都可以像纳米太阳能电池般运作。经进一步改良,电化眼可成为能自我供电的图像传感器,用作人造眼科义体时,无需依靠外部电源或电路,与现时的技术相比,将更为方便应用。

了解更多范教授的其他工作: 
HKUST Holds One Million Dollar Entrepreneurship Competition in Five Cities for the First Time

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范智勇教授(右三)、顾磊磊博士(右二)及其他团队成员。 (数据图片)
范智勇教授(右三)、顾磊磊博士(右二)及其他团队成员。 (数据图片)
团队示范电化学仿生眼的运作原理。
团队示范电化学仿生眼的运作原理。
范教授(右)及顾博士介绍电化学仿生眼如何操作。
范教授(右)及顾博士介绍电化学仿生眼如何操作。