5 年內讓人復明,這個「超級眼」有啥不一樣?

硬件

05-26 09:34

「當我睜開眼睛,發現自己竟然什么也看不見,眼前一片黑暗時,我像被噩夢嚇到一樣,驚恐、悲傷極了,那種感覺讓我今生永遠難以忘懷。」

海倫·凱勒寫下的這段話是多少后天失明者久久難以忘懷的夢魘。

「如果給我三天光明,我會看見多少東西啊!」這又是多少盲者的期盼。

近日,香港科技大學范志勇團隊在 Nature 上發布的一款 3D 人工眼球給盲人帶來了新的福音。該團隊打造了一款完全模仿人眼結構而來的電化學眼睛(EC-EYE),直徑約為 2cm,與人眼大小相當。這也是世界上首個 3D 人工眼球。

▲ EC-EYE 外觀示意圖

「除了在結構上與人眼相似外,這款半球形的人造眼球視網膜的納米線陣列密度比人類視網膜的光感受器密度高得多,因此有可能實現更高的圖像分辨率。」團隊在論文中介紹。

不僅如此,實驗結果顯示,EC-EYE 具有比人眼更強的感光度和靈敏度。經過進一步提升設計,它甚至可以消除人的視野盲點。

「看諸如《星際迷航》、《機器人》等科幻電影時,我曾想過要制作出一種 ‘超人眼’,用于人形機器人和有視覺障礙的人。那時候,我的學生們認為這是教授的又一個瘋狂主意。」如今,范志勇顯然離自己的夢更近了一步。

「如果一切都按計劃進行的話,那么該技術有可能在 5 年內落地應用。」

▲「超級眼」團隊,右三為范志勇

每年,全球有 700 萬人失明

對于人類來說,80% 的環境信息要通過眼睛獲取,足見雙眼的重要性。但遺憾的是,視覺障礙如今仍然是全球范圍內沒有完全解決的難題。

世界衛生組織(WHO)去年發布的《世界視力報告》指出,全球至少有 22 億人正在承受視力受損或失明的痛苦,盲人數量每年增加 700 萬。其中至少 10 億人本可以預防或通過必要的醫療或護理服務來解決近視、遠視、青光眼、白內障等問題。

WHO 設在日內瓦的防盲及防聾規劃主任 Thylefors 強調,每年在中國約有 45 萬人失明,這意味著幾乎每一分鐘就會出現一個新的盲人。

即便隨著科技進步,越來越多的醫療手段正在出現,如矯正近視的飛秒手術。但視網膜色素變性、老年性黃斑變性等永久性的功能損傷,還是會逐漸剝奪患者眼前的世界,直到漆黑一片,最好的眼科醫生看著這一切的發生也無能為力。

好在,科學家們一直在堅持研發仿生眼,且已經取得了一些進展。

所謂仿生眼,實際上就是打造一個視網膜假體,通過一系列光電信號轉化,將信號傳遞給視神經,并傳導入大腦。隨后,這些信號會被解析為圖像,仿生眼就能成功「看」到了。

在 EC-EYE 之前,一家名為 Second Sight 的美國醫療產品公司已經推出了仿生眼設備 Argus II,并于 2013 年獲美國食藥監局(FDA)批準上市銷售。

仿生眼早就有了,但一戴就得戴一套

從外觀上看,Argus II 是一副帶有微型攝像頭的眼鏡。攝像頭拍到的畫面會傳送到處理器上進行解析,轉換為大腦可以理解的信號,該信號經無線傳輸給植入眼球內部的人工視網膜,后者將其送往大腦。

雖然 Argus II 還有很大的缺憾,比如使用不便,以及使用者只能模模糊糊看到黑白的輪廓和光影,就像給世界打了一層厚厚的馬賽克,再比如高達 15 萬美元的售價,但這仍讓后天失明的人感覺十分滿足。

2015 年是 68 歲的美國老人艾倫·澤拉德失明的第十個年頭。患上嚴重視網膜色素變性的他,在 10 年前與妻子結婚時,甚至沒來得及看上一眼自己的新婚妻子。在被植入 Argus II 的人工視網膜并戴上了整套設備后,艾倫首次看到了妻子的容顏。

▲佩戴了 Argus II 的艾倫

「親愛的,你真美。」驚呼后,艾倫痛哭失聲。

距離 Argus II 上市已經過去了七年,雖然科學家們一直希望能夠打造一款能夠直連大腦的眼球性人造眼,但苦于主流的商用電荷耦合器件 (CCD) 和互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 圖像傳感器均為平面結構,將之組裝為視網膜那樣的半球形極為困難。

而只有半球形的視網膜才能因為透鏡原理,實現正常聚焦的成像。

港科大突破人造視網膜

范志勇團隊的 3D 人工眼球之所以引人關注,正是因為它是世界上第一個可以將人工視網膜制造成半球形狀,從而在外觀上完全仿造人眼的設計。如果能夠臨床應用,將能讓失明者更容易、也更清晰地重新見到這個世界。

具體從構造上來看,團隊通過在半球形氧化鋁膜上排布高密度鈣鈦礦納米線(nanowires)陣列來模擬人類視網膜上的光感受器,其背面連接的液態金屬線用來模擬人類視網膜后的神經纖維,以此實現了人造半球形視網膜的設計。

而后,團隊將人造視網膜裝入由硅聚合物做成的眼窩中,前半側則是由鋁和鎢膜支撐的半球形殼體,內部充滿離子液,與人眼玻璃體的存在相似。

▲ 具體結構

除外觀外,直接排布在半球形膜層上的納米傳感器密度更高,可達 4.6×10^8/平方厘米,是正常人眼視網膜光感受器細胞密度的 40 余倍,理論上完成更高分辨率的成像。

不僅如此,實驗得到的數據與人眼對比的結果也給人們帶來極大驚喜。一方面,EC-EYE 對光的敏感度與人眼相當;另一方面,人工視網膜對光的敏感度更高。納米線陣列受到光信號刺激后,會在 19.2 毫秒內響應并生成電流,是人眼反應時間的一半。

▲ EC-EYE 的圖像傳感演示

不過,EC-EYE 雖有突破,卻還存在很大的限制。比如生產工藝上,液態金屬導線如何進一步減小直徑到與其連接的納米線相匹配,而這種微小零件帶來的量產的麻煩也很難解決,制造成本將極為高昂。

再者,一個常識是,電化學元件性能會漸漸變弱。團隊在論文中也指出,在離子液濃度較高的情況下,液體中光透射的性能會下降。因此,人工視網膜能工作多久也尚未可知。

最重要的是,目前 EC-EYE 只能做到讓計算機識別電信號,至于如何讓感光設備安全地與大腦交互生成影像,即真正完成「看見」的動作,是范志勇團隊面臨的下一項重大挑戰。

話說回來,即便這款人造眼球最終沒能幫人重見光明,但科幻照進現實本身就令人興奮,不是嗎?

題圖來自:《終結者 3》劇照

本文來自虎嗅,作者石三香,愛范兒經授權發布。

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