【新浪科技综合】领域突破:中国科学家发明纳米线仿生眼球,活体实验计划已提上日程新浪科技综合2020-08-14 14:31:130阅
来源： DeepTech深科技
“我是一个科幻迷 ， 很早就开始看《终结者》《星际迷航》这类的科幻电影了 ， 我觉得科幻电影中的机器人看起来未来感十足 ， 机器人的仿生眼也都特别酷炫。。。。。。 ” 香港科技大学电子与计算机工程系范智勇教授如是说 。
正是源于这样一个科幻梦 ， 范智勇及其团队在自 2011 年以来的近 10 年时间内 ， 一直专注于仿生眼的突破性研究 。
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图1/9图|由阿诺·施瓦辛格饰演的 “终结者”（来源：《终结者》剧照）不久前 ， 范智勇团队在国际顶级科学期刊《自然》（Nature）杂志上发表的一篇题为 “A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina” 的论文中 ， 提出了一种 “新型纳米线球形仿生眼” 的概念 ， 这一研究成果得到了业界同行专家的高度认可 ， 被评述为 “过去几十年来仿生眼开发的重要突破” 。
论文的第一作者、香港科技大学电子与计算机工程系顾磊磊博士告诉 DeepTech ， 人眼功能之所以远超现有的成像设备 ， 一个重要原因是其不同寻常的球状结构 ， “但当前的半导体制造基于平面工艺 ， 无法加工此种球面器件” 。
在范智勇、顾磊磊等人的工作中 ， 他们打破常规 ， 将柔软的铝冲压为半球状 ， 采用一种 “阳极氧化” 的技术将其转变为相应形状的多孔氧化铝纳米模板 ， 之后采用化学气相沉积的方法将纳米线长在纳米孔道内 ， 从而形成高密度、半球状分布的半导体纳米线阵列 ， 用以模仿核心视网膜 ， 之后配合离子液体、液态金属等新型材料 ， 结合 3D 打印等新兴科技 ， 成功制备出球形电化学仿生眼 ， 这一突破性方法有望使机器和人获得接近人眼的高性能视觉 。
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图2/9图|范智勇（右三）、顾磊磊（右二）及其科研团队（来源：香港科技大学）对此 ， 范智勇表示 ， 该仿生眼不仅可以用做义眼（即人工植入假眼）帮助视觉残障人士重获光明 ， 在手机、相机、无人机和自动驾驶等诸多领域也应用广泛 。
此外 ， 该仿生眼还可以用来提升智慧城市的整体智能化水平 。 “相比于当前主流的平面摄像头 ， 球形仿生眼的成像效果更好 ， 可以提高输入数据的数量与质量 ， 进一步提高 AI 系统输出信息的丰富度与准确性 ， 而且由于数据整体质量提高 ， AI 系统的算法也可以更加简化 ， 从而降低开发成本 。 ” 顾磊磊说 。
在航空航天领域 ， 仿生眼也能发挥它的价值 。 航天器对自身的体积重量有严格的要求 ， 如果使用传统相机 ， 要达到超广角甚至 360° 全景成像 ， 需要使用很多镜头组 ， 或者像火星车一样 ， 使用少量摄像头但需要大范围旋转 ， 前者需要更多摄像头 ， 后者需要马达驱动系统 ， 两种方案无疑都会增加航天器的能耗和重量 。 范智勇表示 ， “球形仿生眼 ， 尤其是仿生复眼 ， 视角接近 360° ， 以之取代平面摄像头 ， 可以大大简化镜头的设计 ， 降低整体质量和体积 。 ”
此外 ， 在范智勇看来 ， 由于仿生眼所用材料的光谱响应范围比人眼的光谱响应范围更宽广 ， 人类借助仿生眼甚至可以看到红外线和紫外线 。
他告诉 DeepTech ， 大疆创新的无人机、港科大的自动驾驶项目、商汤科技的机器视觉研究和华为的手机摄像头 ， 都可能是 “仿生眼” 的潜在应用场景 ， 目前正在探讨具体的合作方式 。
有望打破国外技术垄断
“仿生眼是一个特殊的光电探测器件 。 ” 范智勇说 。
一直以来 ， 范智勇都始终聚焦于做发光器件和光电探测器件等光电研究 ， 他的另一个身份 ， 是先进显示与光电子技术国家重点实验室的成员 。
早在 2011 年 ， 范智勇就想基于人眼的生物学特征创造一种全新的光电器件 ， 但因为这一 “非常科幻” 的想法在当时面临着太多的挑战 ， 并没有迅速推进下去 。 2011-2016 年间 ， 范智勇和其学生顾磊磊在这方面做了很多基础性工作 ， 才逐渐有了一些技术积累和科研成果 ， 仿生眼的研究就这样慢慢起步了 。 如今 ， 他们已经做出了仿生眼的原型 ， 当初来自科幻电影的梦想正慢慢得以实现 。
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图3/9图|仿生眼的感应图像（来源：香港科技大学）当前 ， 他们正致力于推动仿生眼在机器视觉提升和人眼视觉障碍治疗等方面的应用 。
他们希望可以从科幻电影中获得灵感 ， 真正地把仿生眼用在机器人上 。 与人眼一样 ， 球状仿生眼不仅可以快速转动 ， 还具有 150-160° 的视角 ， 同时也能避免人眼中由于视网膜倒装造成的光损失及盲点问题 。 从理论上讲 ， 仿生眼的成像效果要优于当前的手机摄像头和广角相机 ， 能以更大角度采集场景数据 ， 在机器人、无人机、无人驾驶等领域具有很好的应用前景 。
同时 ， 他们也在实践中发现 ， 仿生眼同样可以用来造福人类 。
来自世界卫生组织（WHO）等机构的数据显示 ， 全球范围内已有 50 多亿眼科疾病患者 ， 其中中国有 10.8 亿；目前全球眼科市场规模超过了 500 亿美元 ， 中国的眼科市场总体规模已经由 2015 年的近 1000 亿人民币增长到了 2019 年的 1700 亿人民币 ， 年化增长率高达 14% 左右 。
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