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高密度人工视网膜,让盲人重见光明实现超

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仿生眼部分性能已超过人眼,未来实现人类超级视力不是妄想。

作者

龙浩王皓宁微电子学与固体电子学博士

责编

高佩雯

“黑暗让人感激视觉,沉默让人感谢声音。”海伦·凯勒在《假如给我三天光明》中如是说。

视力对人至关重要,一旦失明,生活质量就会大受影响。而仿生眼的诞生,给失明患者带来了新希望;新的技术进展,亦不断将不可能化为可能。

最近,《自然》杂志报道了一项革命性进展:通过高密度的人工视网膜制造工艺,让仿生眼成像性能超过了人眼。如果能解决眼、脑协作问题,让盲人重见光明、甚至实现超级视力将指日可待。

失明患者的希望之光:仿生眼

人们感受外界信息80%靠视觉。据世卫组织年报告,全球视力损伤或失明者达22亿人以上,其中失明对患者生活影响最大(《世界视力报告》)。

尽管手机等电子产品的无障碍设计可以帮助盲人感受世界进步,但他们依然不得不忍受在黑暗中孤独摸索。

引起失明的原因很多,可能是眼睛,也可能是大脑。而视网膜病变、眼外伤等原因最为常见。仿生眼作为具有视觉功能的义眼(视觉假体),为解决这类问题提供了可行方案。

仿生眼是参考人眼结构、为实现人眼功能而研发的人造器官。人眼包含角膜、瞳孔、虹膜、晶状体、玻璃体、视网膜、视神经等结构,复杂而神奇。而从光学成像角度看,人眼结构却又十分简单:

外界影像通过晶状体(相当于透镜)成像在视网膜(相当于图像传感器)上,并由视细胞(组成视网膜的细胞,相当于光电探测器)将光信号转换成电信号,然后经视神经传递给大脑,由视觉中枢进行处理。

人眼结构:外界影像通过晶状体成像在视网膜上,再转化成电信号送到大脑

图虫创意

如果晶状体或者视网膜损坏,大脑就无法获取正确的电信号,失明就发生了。

不过,像光电转换一类的工作不一定需要人眼,数码相机也能做。那么,针对这类由眼睛问题引起的失明,如果使用数码相机代替人眼成像再传给大脑,是不是就可以重现视力了呢?答案是肯定的。

第一个外置仿生眼就这样诞生了。它被命名为Argus,取自希腊神话中的百眼巨人。

Argus由一副摄像眼镜、一个小型电脑和一个植入芯片构成:摄像眼镜捕捉外界光影,转变成数字电信号,传递给电脑;电脑将其转为人脑可以理解的电信号,再无线传输给芯片;芯片释放微弱电信号,刺激尚未受损的视细胞,或直接通过视神经传递给大脑,从而让人看到世界。

外置仿生眼ArgusII

Wykop.pl

这个大胆构想已经让不少失明者看到了世界的轮廓和光影。但遗憾的是,限于当时技术水平,它只能让人看到黑白的巨大马赛克,距离人眼所具有的超宽视角、高分辨率、高灵敏度和低像差的理想成像还相去甚远;并且外挂多个设备,也让用户体验大打折扣。

日趋完善的技术,突破仿生眼技术瓶颈

那么,要如何得到理想成像呢?科学家们从多个角度出发,进行了攻关。

其一,是对传感器(即“视网膜”)形状进行改进,令其更好地聚焦。这一步可以通过3D打印实现。

通常,为了消除非近轴光线带来的像差,人造光学成像系统往往需要引入复杂的结构设计:比如一台单反相机,镜头通常由5片甚至5片以上的透镜组成;而要获得超宽的视角,则需要采用广角镜头,这样形成的图像通常是曲面的(称作“像场弯曲”)。由于场曲的存在,平面传感器无法对图像全面聚焦。

像场弯曲:图像聚焦不在一个平面上(左图中蓝亮线为“像”,右图为平面聚焦效果,像的边缘和中心无法同时聚焦)

Opto-e.


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