第一作者：Leilei Gu

通讯作者：范智勇

通讯单位：香港科技大学电子与计算机工程系

研究亮点：

1. 以钙钛矿纳米线模仿人眼视杆细胞，然后把高密度纳米线阵列组装在半球形的多孔透明绝缘模板来仿生人类视网膜。

2. 使用了离子液体模仿人眼中的玻璃体，还开发了不同的背接触电极技术，最终构成与人眼结构极为相似的视觉系统。

人造仿生眼

眼睛是人类感官中最重要的器官，大脑中大约有80%的信息都是通过眼睛获取的。眼睛能辨别不同的颜色和亮度的光线，并将这些信息转变成神经信号，传送给大脑。因此眼睛也是体内最精密的器官之一，其中的凹半球形视网膜和光管理部件格外精妙，其特殊性包括150°–160°的宽视野（FOV）、中心凹处每对线1弧分的高分辨率和对光学环境的极好适应性。

科幻小说中通常会使用具有人造眼睛的机器人以及与人脑交互的仿生眼睛，以恢复盲人的视力。为了开发这样的装置已经做出了很多努力，但是制造人眼的球形，特别是半球形的视网膜，是巨大的挑战，严重地限制了人造仿生眼的功能。

成果简介

5月20日，香港科技大学电子与计算机工程系的范智勇教授团队在Nature上在线发表了“A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina”一文。报道一种创新的，凹入的半球形视网膜（EC-EYE成像系统），它由一系列模仿人类视网膜中感光细胞的纳米级光传感器（光电传感器）组成。Gu和同事们在具有与人眼可比的几种功能的电化学眼中使用该视网膜，并且该视网膜具有获取图像图案的基本功能。 

图1. 人类眼睛。

要点1：精巧的人造眼睛结构模仿

该系统由一个透镜，一个在半球形基底上的光电传感器阵列以及作为电触点的液态金属细线组成。这些组件分别模仿生物眼睛的晶状体，视网膜和视网膜后面的神经纤维。①关键部件人工视网膜，是由在半球形多孔氧化铝膜（PAM）内通过气相沉积法生长的钙钛矿纳米线组成的高密度阵列。②模仿神经纤维：液态金属（共晶镓-铟合金）密封在柔软的橡胶管中制成的细而柔软的导线将信号从纳米线光电传感器传输到外部电路，以进行信号处理。③与人眼一样，将带有人工虹膜的透镜放置在设备的正面。后面的视网膜与前面的半球形外壳结合在一起，形成一个球形腔（“眼球”），该腔室充满了一种模仿玻璃体液的离子液体。

图2. 人类视觉系统和EC-EYE成像系统的整体比较：a-c，人类视觉系统（a），人眼（b）和视网膜（c）的示意图。d-f，EC-EYE成像系统（d）示意图，PAM模板中EC-EYE（e）和钙钛矿纳米线的工作机制以及它们的晶体结构（f）。

要点2：实现小的单个像素尺寸及优越的感觉能力

该人造视网膜可以检测到很大的光强度范围，从每平方厘米0.3微瓦到50毫瓦。在最低的强度下，人造视网膜中的每条纳米线平均每秒可检测到86个光子，与人类视网膜中感光器的灵敏度相当。这种敏感性源自用于制造纳米线的钙钛矿材料。

当纳米线阵列受到规则，快速的光脉冲刺激时，它可以在短于19.2毫秒的时间内响应脉冲产生电流，然后在短时间内可恢复到23.9毫秒（返回到非活动状态）脉冲已结束。相应的，人视网膜中感光体的响应和恢复时间为40到150毫秒。

图3. 人单个像素的光电检测性能表征：（a）单个像素测量示意图。（b）单个像素工作机制。（c）模拟光照下，不同光照下的电流-电压曲线以及各个像素的瞬态响应。（d）取决于照明强度的单个像素的光电流和响应度。（e）器件原理图和基于单纳米线和基于四纳米线的单个像素的瞬态光响应。（f）Ni微针接触纳米线阵列的示意图和SEM图像。

要点3：实现的高分辨率成像

对于以前的人工视网膜，光电传感器首先利用平坦的刚性基板制造，之后，转移到弯曲的支撑表面上，或者直接将基板折叠弯曲。而本文装置中的纳米线直接形成在曲面上，这使它们可以更紧密地包装在一起。实际上，纳米线的密度高达4.6×108 cm–2，远高于人类视网膜中的感光器（约107 cm–2）。与基于交叉开关结构的平面图像传感器相比，EC-EYE成像系统提供更高的对比度和更清晰的边缘；像素与镜头之间的距离更加一致，从而实现了更宽的FOV以及更好地聚焦在每个像素上。

图4. EC-EYE的图像感应演示：（a）安装在印刷电路板上的EC-EYE的后视图。（b）测量设置示意图。（c）EC-EYE的重建图像（字母“A”）及其在平面上的投影、（d）和（e）平面和半球形图像传感器系统的示意图（d）和计算的（e）FOV。

要点4：仍需进行的工作

1. 开发低成本生产方式：制造过程涉及一些昂贵且低通量的步骤，例如聚焦离子束蚀刻过程。未来必须开发高通量制造方法，以大幅度降低成本来生产更大的光电传感器阵列。

2. 减小液态金属线的尺寸：为了提高视网膜的分辨率和规模，需要减小液态金属线的尺寸。将目前约为700 µm的导线外径降到纳米线直径（几微米）是一项极为困难的挑战。

3. 确定人造视网膜的使用寿命：EC-EYE成像系统运行9小时后其性能没有明显降低，但是其他电化学设备的性能会长时间后会下降。作者指出，在较高浓度的离子液体中，其设备的响应时间和恢复时间会缩短，但以通过液体的光传输为代价。因此需要进一步优化离子液体组成以解决该问题。

图5. 仿生电化学眼。

小结

本文介绍了一个人工视觉系统，使用一个球形仿生电化学眼（EC-EYE）和一个由高密度钙钛矿纳米线阵列构成的半球形视网膜。器件特性表明，该光电眼具有较高的响应率、合理的响应速度、较低的检测限和较宽的视场。EC-EYE还演示了人眼获取图像模式的基本功能。除了与人眼的结构相似外，半球形人工视网膜的纳米线密度远高于人眼视网膜中的光感受器密度，因此能够获得更高的图像分辨率。开发的工艺解决了在具有高集成度的非平面基板上制造光电器件的挑战。此外，这项工作可能会激发光学成像设备的仿生设计，从而可以在科学仪器，消费类电子产品和机器人技术中得到应用。那么在接下来的十年中，我们可能会见证在日常生活中广泛使用人造仿生眼睛。

参考文献

Gu, L., Poddar, S., Lin, Y. et al. A biomimetic eye with ahemispherical perovskite nanowire array retina. Nature 581, 278–282 (2020).

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2285-x