人造眼或使人重见光明

南方周末特约撰稿　陈彬

人们常说眼睛是“心灵的窗口”，但实际上，也许“大脑的窗口”这个描述更为贴切。

视觉中国　❘图

科学家制造了一个只包含100根感光纳米线的仿生眼，但从理论上来说，系统可以添加更多、更密的纳米线。

★中美两国科学家发明了一种新型的仿生眼，在某些参数和特点上，它甚至超过了人眼，这一发明或将有助于众多眼病患者更清晰地看见五彩缤纷的世界。

丽莎·库利克（Lisa Kulik）曾经是一名兽医助理，在21岁时的一次例行体检中，医生发现她患有一种名叫视网膜色素变性的遗传疾病。随着时间的推移，她的视觉不断退化，并最终在36岁时彻底失明。

2013年，美国食品与药品管理局批准了一种名为“ArgusII”的“人工眼”植入手术。库利克申请成为第一批接受手术的病人，并在手术后重见光明。此后，这种“人工眼”又被用于帮助老年黄斑变性等疾病的患者获得一定的视力。

然而，在接受ArgusII（或者其他几种在欧美被批准使用的“人工眼”）植入手术后，病人视力的恢复程度仍然十分有限。以ArgusII为例，系统只能产生一个60像素的黑白影像。

近日，中国香港和美国的科学家在国际著名科学期刊《自然》杂志上发表了一项新的研究成果，介绍了他们借鉴人眼的结构和原理，发明的一种新型仿生眼。在某些参数和特点上，这种仿生眼甚至超过了人眼。尽管这种装置距离实际应用还很遥远，但也许未来有一天，它将帮助众多眼病患者更清晰地看到这个五彩缤纷的世界。

“大脑的窗口”

我们常说眼睛是“心灵的窗口”，但实际上，也许“大脑的窗口”这个描述更为贴切：光线进入眼球，经晶状体聚焦，穿过玻璃体后，投射到视网膜上。视网膜由很多层神经元（神经细胞）组成。其中最靠后的一层神经元能够感受光（因此也被称为光感受器）并把光信号转化为电信号，以从后向前的方向将电信号传递给下一级神经元。这些电信号在逐级传递的过程中还会经过一定的预处理，最终通过视神经传递到大脑。传入的视觉信号在大脑中特定的区域进一步被整合处理，最终使我们产生视觉。

作为视觉系统最重要的组成部分，视网膜如果出现异常，我们的视觉就会出问题：绝大多数色盲都是视网膜上一类感受光的神经元（视锥细胞）异常导致的；丽莎·库利克患的视网膜色素变性，是因为另一类感光神经元（视杆细胞）无法将光信号转换为电信号导致的；而青光眼导致视觉损害的一个重要原因，则是视网膜上一种叫做神经节细胞的神经元的死亡。

ArgusII系统治疗视网膜色素变性的原理，就是一定程度上用这个系统来顶替受损的神经元：病人接受手术，在视网膜上植入一组电极。系统外置的数码摄像机拍摄的影像首先被计算机进行图像处理，然后被传给植入的电极，电极再根据图像信息刺激视网膜上的细胞，这些细胞产生相应的电信号并将其传递到大脑中，重新打开“大脑的窗口”。由于系统的分辨率很低，只有60像素，所以与其说植入ArgusII系统的病人恢复了视觉，不如用重见光明来形容或许更合适。

仿生眼领域的飞跃

由于ArgusII等系统的这些限制，科学家一直以来都在试图研发更体现天然眼特征的仿生眼系统。如果能够研发出性能更优异的系统，一方面可以将其应用于非医学领域（更符合天然眼的特征，往往意味着3D视觉成像效果更好）。比如，美国的科学家在2013年就曾在《自然》杂志上发表了一篇论文，介绍了他们从昆虫的复眼中寻找灵感，制造出的一款仿生眼系统。另一方面，如果能够研发出性能更优异的系统，也可以探索其在医学领域可能的应用。

《自然》杂志上发表的这项新研究无论是在技术策略上，还是使用的材料上，都颇具创新性，使这个仿生眼系统在很多指标上都远远超过了此前的人工眼系统，有的指标甚至已经超过了人眼。同期《自然》杂志上的一篇专家点评称赞其实现了相关领域的一次飞跃。

眼球上的纳米线

这并不是科学家第一次设计研发出眼球形的人工眼系统，但其制造策略却很新颖。正是这种创新性的策略，使这种新系统各方面的表现有了大幅度的提高。

在制造此前的仿生眼系统时，科学家通常都是先把感光的元件在一个平面上组装配置好，然后再转移到眼球形状的支撑系统上。这可以看作是先制备好系统的“视网膜”，然后把“视网膜”贴到“眼球”上。在转移到球形支撑系统上后，各个感光元件之间的空间关系就立体化了，利用每个感光元件捕获到的光信号，系统就能分析整合出有立体感的影像。这种策略最大的问题是系统难以达到较高的分辨率：从平面到球形，“视网膜”会发生形变，如果感光元件之间最初的距离太近，彼此就会发生挤压，影响成像。因此，在使用这种策略制备仿生眼时，感光元件之间必须留出一些空隙。这导致在单位面积的“视网膜”上，感光元件数量有限，从而限制了系统的分辨率。

在这项新的研究中，研究人员采取了另一种策略：先制造眼球，然后直接在眼球上添加感光元件。他们首先制造了一个非常薄的氧化铝半球壳，你可以把这个半球壳想象成是将眼球纵向切开之后的后半部分。在制造过程中，科学家还在这个半球壳上留了很多非常细（直径为120纳米，也就是0.00012毫米）的通道。接着，他们使用一种被称为沉积法的方法在这些通道里“长”出一根根纳米线，每根纳米线的长度大约为5微米（0.005毫米）。组成这些纳米线的是一种叫作钙钛矿的化合物，这类物质由于结构特殊，因此能够将光信号转换为电信号，很多科学家认为钙钛矿很有潜力能在下一代光电器件（比如太阳能电池、LED等）中得到广泛应用。正因为这种将光信号转换为电信号的能力，这些纳米线阵列扮演着人工“视网膜”（或者说“视网膜”上的感光细胞）的角色。

在人眼中，视觉信号通过视神经传入大脑。由于视觉信号在视网膜中是从后向前逐级传递到最靠前一层的，因此视神经最终会以从前向后的方向穿过视网膜进入大脑，穿过的地方正是人眼的盲点：由于这里没有负责感光的神经元，因此投射到这里的光我们无法感受到。这个仿生眼系统的设计策略则使其避免了盲点的存在。由于系统中的钙钛矿纳米线非常细，为了便于操作，研究人员首先给这个人工“视网膜”制作了一个“插座”，“插座”上有一根根直径约为0.7毫米的通道（仍然很细，但直径已经超过纳米线直径数千倍）。接着，他们把人工“视网膜”插到这个“插座”上。在“插座”的另一端，每一根通道与一根软管相连，软管中充满了一种液态的金属，软管的另一侧与信号处理系统相连。这些软管扮演的正是人的视觉系统中视神经的角色，通过其中的液态金属，把来自纳米线的电信号传递给计算机进行处理，进而产生视觉。由于软管通过背后一侧连接纳米线，因此这个系统没有盲点。

在制作好眼睛的后半部分后，研究人员将仿生眼的前半部分与后半部分黏合了起来。与后半部分一样，前半部分也是在模拟人眼的结构，包括扮演瞳孔角色的光圈，扮演晶状体角色的凸透镜等等。研究人员还向眼球中注入了能够导电的电解质溶液，除了连通系统的电路外，这些电解质液体还扮演着人眼中玻璃体的角色，对人工“视网膜”起支撑作用。

在这项概念验证性的实验中，科学家制造了一个只包含100根感光纳米线的仿生眼，但从理论上来说，系统可以添加更多、更密的纳米线。

赶超人眼

无论是原理还是制造工艺，这个仿生眼都并不算复杂，但其性能却远远超过了此前研发出的仿生眼，有的指标已经接近甚至超过了人眼。

球形眼的一个重大优势是视野宽广，这可以使动物尽早发现危险（比如捕食者），有利于动物的生存。以人为例，我们的视野范围可以达到150-160度。由于充分借鉴了生物眼的球形结构特点，与此前研发出的平面仿生眼相比，这个球形仿生眼拥有大得多的视野：此前的平面仿生眼的视野只能达到70度，而这个球形的仿生眼则达到了100度。尽管100度和150度比还有不小的差距，但这项研究的科学家称，通过优化人工“视网膜”上感光纳米线的排列方式，这个系统的纵向视野可以达到与人眼相当的水平。

这个系统在视野上的表现无疑非常优异，但真正的飞跃发生在其对光的反应性上。在对光的敏感度上，检测发现，这个球形仿生眼对强度范围很广的光都能产生反应，光强低至每平方厘米0.3微瓦（1微瓦等于一百万分之一瓦）时仿生眼仍然有反应。换句话说，每一根纳米线只要每秒钟检测到86个光子就能产生“视觉信号”了，其灵敏度已经达到了人眼的水平。

几乎所有动物，要想生存，都需要对外界环境的变化时刻保持警觉并尽快做出反应。这种事关生死的需求推动了生物体视觉系统的进化，一方面，使感光的神经元在被光照射后能迅速产生电信号；另一方面，这些神经元在停止光照后能够迅速恢复到静息状态，为再一次被光激活做好准备。也就是说，视网膜上感光神经元的光反应时间和恢复时间都要尽可能短。通过用光脉冲照射这个仿生眼，研究人员检测发现，其感光纳米线在光照后19.2毫秒（1毫秒等于0.001秒）就能产生电信号，在停止照射23.9毫秒后就能恢复到静息状态。这样的反应速度甚至已经远远超过了人眼：人视网膜上的感光神经元的反应时间和恢复时间大约在40-150毫秒。

这个仿生眼另一个让人感到惊艳的地方是它可以实现的分辨率。无论是人眼，还是相机，其分辨率都受限于其感光单元的密度。对于人眼来说，这种感光单元就是视网膜上的感光神经元；而对于这种新的仿生眼来说，则是能感光的钙钛矿纳米线。人的视网膜上分布了密度很高的感光神经元，每平方厘米上平均有1000万个这样的神经元。在这个概念验证性的仿生眼中，虽然科学家只添加了100根纳米线，但根据这款仿生眼的制造策略和纳米线的排布方式，他们理论上能够在仿生眼的视网膜上添加很高密度的纳米线，达到每平方厘米4.6亿根纳米线，感光单元的密度已经是人视网膜的近50倍。

清晰的影像

一款仿生眼系统，设计策略再新颖，光电参数再超人，如果成像效果不好，那么一切都只是空谈，因此科研人员随后对其成像效果进行了评估。

科学家首先把光学图案（各种英文字母）投射到这个100像素的概念验证性仿生眼上。仿生眼在采集到光信号后将其转换为电信号，然后传给计算机进行处理。一方面，计算机根据光电信号的强弱，赋予每一根纳米线采集到的信号不同的灰度值；另一方面，这些不同灰度值的影像会被投射到一个平面上。检测发现，与平面的影像采集系统相比，这个仿生眼系统的性能要优越得多。除了视野更宽外，仿生眼产生的影像很稳定，对比度更高，影像的边界也更加清晰。在对系统进一步优化后，研究人员用仿生眼采集的信号成功重构出了一个大约1毫米见方的英语字母“E”。

尽管实现了仿生眼领域的飞跃，但这个系统仍有很多地方需要完善：这个仿生眼是概念验证性的，只有100个像素，其感光区域的大小只有2毫米见方；仿生眼的制造工艺成本较高，而且有些步骤比较耗时；要想制造更大尺度的仿生眼以及进一步提高其分辨率，液态金属管需要更细等等。虽然还有很多地方需要改进，但在《自然》杂志的专家点评文章中，美国威斯康星大学工程系教授江洪睿认为，这种技术有可能在10年内在日常生活中得到广泛应用。也许到那时，丽莎·库利克这样的病人将能更加清晰地看到这个世界。