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关注尖端科学技术的量子位
贾浩楠发自凹非寺
量子比特报道|公众号qbitai
“科学给人类带来光明”这句话不再是比喻。
5月20日，nature发表了香港科学技术大学和uc伯克利的共同研究成果:使用仿生机器人的电子仿生ec-eye。
ec-eye的外观和内部与人眼高度相似，同样具有透镜(水晶体)、离子液(玻璃体)、受光阵列(视网膜)、导线(视神经)等重要结构。
半球型人工视网膜是一个巨大的突破，在此之前仿生学的研究仅限于模拟相机原理的平面图像，但其效果远远不如人类自身的半球形视网膜。
nature将这一成果评价为“突破了模仿以往相机和昆虫复眼的类似研究，在医学和其他行业真正可以实现”，也许在今后十几年里可以进入人们的日常生活。
ec-eye整体结构
ec-eye与人眼的结构相同，由透镜(水晶体)、离子液(玻璃体)、受光阵列(视网膜)、导线(视神经)组成。
镜头与人工虹膜(光圈)和前部结合。 后面的人工视网膜与前面的半球状壳结合，形成球状空洞(即“眼睛”)。
上半场的球状外壳是用内衬钨丝的铝膜制成的。 腔室内充满了模拟玻璃体的离子液体，该液体是填充透镜和视网膜之间的凝胶体。 用作视网膜上纳米光电传感器的前端共同触点。
由液体金属(共晶镓铟合金)制成的细而有弹性的引线被封入软橡胶管中，将纳米线接收器的信号传输到外部电路进行信号解决，模拟连接人眼和大脑的神经纤维。
液态金属线和纳米线之间有铟，可以优化两者之间的电接触。
人工视网膜是用硅聚合物制成的基底固定的，确保了电线和纳米光点的正确定位。
由于ec-eye和人眼整体结构的相似性，可以具有100°的广阔视野。 与此相对，静态人眼的垂直视野约为130°。
重要创新:人工半球视网膜
人的球形视网膜结构自然减少通过晶状体的光的散射，使焦距更清晰。
在这种结构中，还可以直接补偿来自弯曲焦点面的像差，降低光学系统的多样性。 这是照相机平面摄像结构无法比拟的特征。
模仿人眼对人工视觉系统非常重要。 特别是对类人机器人来说，其视觉系统除了具有优良的设备特征外，还应该与人的外观类似，实现人的友好互动。
科学家找不到模拟这个结构的合适材料.。
目前商业化的电荷耦合器件( ccd )和互补金属氧化物半导体( cmos )图像传感器主要使用主流的平面微细加工工艺，产品只有平面结构。
ec-eye的重要创新是使用高密度的纳米感光材料阵列。
这种纳米感光材料是脒碘化铅杂化钙钛矿制成的。
钙钛矿材料最引人注目的特征是其奇迹光电特性。 有机无机杂化钙钛矿材料具有高消光系数、长载流子寿命，具有高且平衡的载流子迁移率、低缺陷浓度、浅缺陷能级、高荧光量子产率、低激子结合能等优点，非常适合各种电光器件
△图d是人工视网膜本体，e是埋入其中的纳米材料的感光点，f是脒碘化铅杂化钙钛矿单晶结构。
ec-eye人工视网膜的纳米感光点密度为4.6 × 108 cm-2，远远高于人视网膜的感光密度(约107cm-2 )。 这是因为这样可以实现更高的图像分辨率。
ec-eye的仿生光灵敏度范围是每平方厘米0.3微瓦-50毫瓦。 在最低的光强度下，每个纳米传感器可以检测86个光子，相当于人的视网膜。 对可见光谱内所有频率的光都很敏感。
受光刺激后仅19.2毫秒响应，之后23.9毫秒恢复到未激活状态，远远短于人眼视网膜中感光细胞40-150毫秒的响应和恢复时间。
图像形成装置
液态金属线通过电路板连接到由计算机控制的100×1复用器上。
测量系统的设计图及其相应的电路图如下所示。
测试步骤:通过将光学图案投影到ec-eye上，检测图像传感功能，记录各传感器像素的光电流。
下图显示了成像的文字‘a’及其在平面上的投影。
与基于横向结构的平面图像传感器相比，ec-eye摄像具有更高的对应度和更鲜明的边缘。
因为各个独立的像素和相邻的像素的边界会变得更明确。
此外，还包括小的电化学图像传感器接触磁针，和其他光学部件一起组装微型照相机。 磁微对比度准技术也很适用于整个半球表面。
现在，这个纳米光电阵列只有10×10个像素点，像素点之间有200微米的间隙。 这意味着该传感器的光电检测区域只有2mm。
减少液态金属线的直径是目前这个事业面临的最大挑战。
现在，该液态金属信号导线的直径约为700微米，因为每3~4个传感器只能连接一根液态金属导线。
在理想状态下，液态金属线的直径应该相当于纳米线的直径(大约几微米)。 这样，各个传感器就可以连接一根电线，实现更高的分辨率。
另外，电化学器件的性能随着时间的推移而下降，因此该人工视网膜的寿命需要越来越多的测试。
虽然一点也不完美，但不可否认这是仿生学研究开发的一大进步。
根据nature的说法，仿生学不是模仿照相机，而是模仿人类许多杂乱的眼睛结构和人类的交互。 我相信这个研究所的进步在今后10年可以目睹仿生学在生活中的大规模应用。
论文地址
nature/articles/s 41586-020-2285-x
作者是网易信息网易号“各有态度”的合同作者。
结束了
问题:“nature :第一个完全再现人眼的仿生学问世，港科大制造了半球状人工视网膜，感光性能超过人眼的460倍。”
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