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基于半球状半导体纳米线阵列仿生视网膜的电化学仿生眼

2020-08-10

眼睛是心灵的窗口,古人云“一寸秋波,千斛明珠觉未多”。实际上对于地球上的绝大部分生物来说,眼睛都是最重要的传感器官,尤其是人类,大约80% 的环境信息都是通过眼睛获取。人眼视场宽,分辨率高,对光高度敏感,是当前任何相机都无法比拟的。人眼优势来源于半球形的视网膜和高密度的视细胞。模仿这些特点来创造人工仿生眼意义重大,既可以帮助病人恢复光明,也可以用于类人机器人。但是当前商用的电荷耦合器件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器,主要通过主流平面微加工工艺成型,很难做成人类生物视网膜那样的半球形。因此研制与人眼功能相当的仿生眼是项极具挑战性的工作。

为了实现这一目标,香港科技大学范智勇教授团队开发了一种崭新的器件结构,用半球形的多孔氧化铝模板集成高密度半导体纳米线(NW)阵列为仿生视网膜,以离子液体仿生人眼的玻璃状液体,并渗入纳米微孔与纳米线形成电接触,以液态金属纤维/金属微针阵列形成纳米线背接触,模仿视神经传导信号,如图所示。实验证实单根或几根纳米线都可以作为一个独立的感光单元,从而有望实现超高分辨率成像。论文还提出了一种新颖的微电极阵列组装策略。在磁场辅助下,以金属微针插进纳米线阵列,形成单个像素只包含三根纳米线的像素点阵列,并组成一个尺寸仅为2 mm×2 mm的具有图像识别功能的超小型图像传感器,并验证该电极组装方法可以用于半球形表面。该新型仿生人眼器件,响应速度超过了人眼,灵敏度接近人眼,而且也避免了人类视网膜固有的“盲点”问题。由于使用高密度纳米线阵列,其理论分辨率是人眼的6倍左右。这项研究提供了一种突破性的方法来获得接近人眼的高性能视觉系统。该仿生眼系统可以用于广角相机/摄像头、人形机器人、高性能的视觉假体来帮助视觉残障人士。

半球状纳米线视网膜电化学仿生眼的结构及表征。

该工作在Nature上线后,美国威斯康辛麦迪逊大学的学者 Hongrui Jiang在同期杂志发表“Artificial eye boosted by hemispherical retina”的评述文章,并评述“仿生眼不是模仿照相机,而是模仿人类复杂的眼球结构和人机交互。范智勇教授的人工视网膜是过去几十年来,仿生眼开发的重要突破。有了这些进步,我相信,未来 10 年我们可能会亲眼见着仿生眼在我们生活中的大规模应用。”

相关研究成果于2020年5月20日以“A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina”为题发表在Nature上。顾磊磊博士为论文第一作者,范智勇教授为唯一通讯作者,香港科技大学为唯一通讯单位,合作单位为加州大学伯克利分校。

论文链接: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2285-x

 

 



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