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5年内让人复明,港科大的人造眼有啥不一样?
作者:admin    文章来源:未知    更新时间:2020-05-26
“当我睁开眼睛,发现自己竟然什么也看不见,眼前一片黑暗时,我像被噩梦吓到一样,惊恐、悲伤极了,那种感觉让我今生永远难以忘怀。 ”
 
海伦·凯勒写下的这段话是多少后天失明者久久难以忘怀的梦魇。
 
“如果给我三天光明,我会看见多少东西啊!”这又是多少盲者的期盼。
 
近日,香港科技大学范志勇团队在Nature上发布的一款3D人工眼球给盲人带来了新的福音。该团队打造了一款完全模仿人眼结构而来的电化学眼睛(EC-EYE),直径约为2cm,与人眼大小相当。这也是世界上首个3D人工眼球。
 
“除了在结构上与人眼相似外,这款半球形的人造眼球视网膜的纳米线阵列密度比人类视网膜的光感受器密度高得多,因此有可能实现更高的图像分辨率。”团队在论文中介绍。
 
不仅如此,实验结果显示,EC-EYE具有比人眼更强的感光度和灵敏度。经过进一步提升设计,它甚至可以消除人的视野盲点。
 
“看诸如《星际迷航》、《机器人》等科幻电影时,我曾想过要制作出一种‘超人眼’,用于人形机器人和有视觉障碍的人。那时候,我的学生们认为这是教授的又一个疯狂主意。”如今,范志勇显然离自己的梦更近了一步。
 
“如果一切都按计划进行的话,那么该技术有可能在5年内落地应用。”
 
“超级眼”团队,右三为范志勇
 
每年,全球有700万人失明
 
对于人类来说,80%的环境信息要通过眼睛获取,足见双眼的重要性。但遗憾的是,视觉障碍如今仍然是全球范围内没有完全解决的难题。
 
世界卫生组织(WHO)去年发布的《世界视力报告》指出,全球至少有22亿人正在承受视力受损或失明的痛苦,盲人数量每年增加700万。其中至少10亿人本可以预防或通过必要的医疗或护理服务来解决近视、院士、青光眼、白内障等问题。
 
WHO设在日内瓦的防盲及防聋规划主任Thylefors强调,每年在中国约有45万人失明,这意味着几乎每一分钟就会出现一个新的盲人。
 
即便随着科技进步,越来越多的医疗手段正在出现,如矫正近视的飞秒手术。但视网膜色素变性、老年性黄斑变性等永久性的功能损伤,还是会逐渐剥夺患者眼前的世界,直到漆黑一片,最好的眼科医生看着这一切的发生也无能为力。
 
好在,科学家们一直在坚持研发仿生眼,且已经取得了一些进展。
 
所谓仿生眼,实际上就是打造一个视网膜假体,通过一系列光电信号转化,将信号传递给视神经,并传导入大脑。随后,这些信号会被解析为图像,仿生眼就能成功“看”到了。
 
在EC-EYE之前,一家名为Second Sight的美国医疗产品公司已经推出了仿生眼设备Argus II,并于2013年获美国食药监局(FDA)批准上市销售。
 
仿生眼早就有了,但一戴就得戴一套
 
从外观上看,Argus II是一副带有微型摄像头的眼镜。摄像头拍到的画面会传送到处理器上进行解析,转换为大脑可以理解的信号,该信号经无线传输给植入眼球内部的人工视网膜,后者将其送往大脑。
 
虽然Argus II还有很大的缺憾,比如使用不便,以及使用者只能模模糊糊看到黑白的轮廓和光影,就像给世界打了一层厚厚的马赛克,再比如高达15万美元的售价,但这仍让后天失明的人感觉十分满足。
 
2015年是68岁的美国老人艾伦·泽拉德失明的第十个年头。患上严重视网膜色素变性的他,在10年前与妻子结婚时,甚至没来得及看上一眼自己的新婚妻子。在被植入Argus II的人工视网膜并戴上了整套设备后,艾伦首次看到了妻子的容颜。
 
“亲爱的,你真美。”惊呼后,艾伦痛哭失声。
 
距离Argus II上市已经过去了七年,虽然科学家们一直希望能够打造一款能够直连大脑的眼球性人造眼,但苦于主流的商用电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器均为平面结构,将之组装为视网膜那样的半球形极为困难。
 
而只有半球形的视网膜才能因为透镜原理,实现正常聚焦的成像。
港科大突破人造视网膜
 
范志勇团队的3D人工眼球之所以引人关注,正是因为它是世界上第一个可以将人工视网膜制造成半球形状,从而在外观上完全仿造人眼的设计。如果能够临床应用,将能让失明者更容易、也更清晰地重新见到这个世界。
 
具体从构造上来看,团队通过在半球形氧化铝膜上排布高密度钙钛矿纳米线(nanowires)阵列来模拟人类视网膜上的光感受器,其背面连接的液态金属线用来模拟人类视网膜后的神经纤维,以此实现了人造半球形视网膜的设计。
 
而后,团队将人造视网膜装入由硅聚合物做成的眼窝中,前半侧则是由铝和钨膜支撑的半球形壳体,内部充满离子液,与人眼玻璃体的存在相似。
 
除外观外,直接排布在半球形膜层上的纳米传感器密度更高,可达4.6×10^8/平方厘米,是正常人眼视网膜光感受器细胞密度的40余倍,理论上完成更高分辨率的成像。
 
不仅如此,实验得到的数据与人眼对比的结果也给人们带来极大惊喜。一方面,EC-EYE对光的敏感度与人眼相当;另一方面,人工视网膜对光的敏感度更高。纳米线阵列受到光信号刺激后,会在19.2毫秒内响应并生成电流,是人眼反应时间的一半。
 
不过,EC-EYE虽有突破,却还存在很大的限制。比如生产工艺上,液态金属导线如何进一步减小直径到与其连接的纳米线相匹配,而这种微小零件带来的量产的麻烦也很难解决,制造成本将极为高昂。
 
再者,一个常识是,电化学元件性能会渐渐变弱。团队在论文中也指出,在离子液浓度较高的情况下,液体中光透射的性能会下降。因此,人工视网膜能工作多久也尚未可知。
 
最重要的是,目前EC-EYE只能做到让计算机识别电信号,至于如何让感光设备安全地与大脑交互生成影像,即真正完成“看见”的动作,是范志勇团队面临的下一项重大挑战。
 
话说回来,即便这款人造眼球最终没能帮人重见光明,但科幻照进现实本身就令人兴奋,不是吗?
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