科大研發出世界首隻具有三維視網膜的球狀人造眼

2020-06-09

一支由香港科技大學(科大)科學家領導的國際團隊,近日研發出全球首款3D人造眼,其功能不單比現時的義眼優勝,於某些情況下甚至能夠超越人眼,為視障患者、失明人士以至人型機械人獲取視力帶來新希望。 

Existing bionic eye
目前的義眼技術
資料來源:採自美國加利福尼亞州希爾馬Second Sight Medical Products, Inc.

多年來,科學家嘗試複製與人眼結構及清晰度相符的生物眼,惟目前義眼技術仍主要停留在附有外置電線的眼鏡模式,而所應用的是2D平面感光器,影像像素亦低。然而,由科大研發的「電化學仿生眼」,不僅首次複製了人眼的結構,更可能於不久的將來,提供比人眼更清晰的視力,以及包括紅外線夜視等其他功能。 

3D Artificial Eye Prototype
電化學仿生眼

電化眼所作出的突破,主要關鍵在於由科大電子及計算機工程學系范智勇教授和顧磊磊博士開發的一個3D立體人造視網膜,上面裝有大量納米線感光器,模擬人類視網膜中的感光細胞。團隊以液態金屬線模擬人類眼球後的神經線,於實驗中將納米線感光器連接到人造半球形視網膜後面一束束的金屬線上,成功複製了視覺訊號的傳輸,將電化眼所看到的影像投射到電腦屏幕上。  

Structure of human eye
人眼的結構
資料來源:Virtual Medical Centre

未來,納米線感光器將直接被連繫至視障患者眼球後的神經線。與電化眼不同,人眼感光細胞所收集到的訊號,會先聚集在視網膜的一點,再從視網膜前方往後傳送到大腦,因而在人的視覺上形成盲點。但在人造視網膜上,由於每個散佈在上面的感光器,都可獨立透過其後方連接的液態金屬線將訊號傳送至大腦,無需經過視網膜的某一點,因而消除了盲點的問題。
 

除此之外,由於納米線感光器在人工視網膜的密度比人類視網膜中的感光細胞更高,如果將來每個納米線感光器都能與視覺神經線連接,人工視網膜將能接受更多光訊號,可以比人類視網膜具有更高解像度的潛力。如使用不同的材料來提高感光器的敏感度及可視光譜範圍,人造眼還可具有包括夜視等其他功能。 
  

Structure of EC eye
科大研發的電化學仿生眼(EC-Eye)的結構

 

由構思至今,團隊共花了九年時間。領導是次研究的范教授說:「我一向熱愛科幻故事,相信很多在譬如星際旅程小說中所提到的科技,有一天會成為現實。目前,無論於圖像解像度、視野闊度及使用的方便程度,現時的仿生眼皆無法與人眼相比,我們迫切需要一個解決這些問題的新技術。這為我推展這個非常規科研項目提供了強大動力。」 

了解更多關於構想如何變成是次研究 : 
Prof. FAN Zhiyong Leads His Team to Publish Sci Fi-Inspired 'Super Human Eye' Research in Nature (只有英文)

團隊與加州大學柏克萊分校合作完成是次研究,並於近日在著名科學期刊《自然》上發表有關結果。 

范教授補充:「下一步,我們將進一步改善電化眼的性能、穩定性和生物相容性。就人造義體的應用,我們期待與在眼科視光學和義眼方面具有相關專業知識的醫學研究專家合作。」 

人造眼的運作原理涉及一種太陽能電池中的電化學反應程序。原則上,人造視網膜上的每個感光器都可以像納米太陽能電池般運作。經進一步改良,電化眼可成為能自我供電的圖像感應器,用作人造眼科義體時,無需依靠外部電源或電路,與現時的技術相比,將更為方便應用。 

了解更多范教授的其他工作: 科大100萬元創業計劃大賽首度於五個城市舉辦

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范智勇教授(右三)、顧磊磊博士(右二)及其他團隊成員。 (資料圖片)
范智勇教授(右三)、顧磊磊博士(右二)及其他團隊成員。 (資料圖片)
團隊示範電化學仿生眼的運作原理。
團隊示範電化學仿生眼的運作原理。
范教授(右)及顧博士介紹電化學仿生眼如何操作。
范教授(右)及顧博士介紹電化學仿生眼如何操作。