文 / 范智勇教授、丁宇宬
前 言
人类的眼睛，结构精巧、功能强大，其成像分辨率高、适应性强、视野广阔，当今任何相机都无法媲美。深入研究人眼结构，了解其机理，并据此进行模仿改进，可显著促进当今摄像头的发展。
同时，以仿生眼取代生物眼，用以助人恢复视觉是另一个重要方向。人类的眼睛复杂又敏感，很多原因会造成不可逆的视觉受损。人类超过80%的信息是通过眼睛输入的，视觉的缺失给视障群体及其家庭的生活都带来了极大的困难。据世界卫生组织统计，世界上有将近三亿人视觉受损，中国也有近七千万。仿生眼植入是解决各种视觉问题的有效途径，然而当前市面上的仿生眼，功能弱、价格高，远不能满足视障人士的需求。
半球形仿生视网膜的制备
当前的半导体制造工艺都基于平面基底，难以实现曲面电子器件的集成。范智勇教授课题组经过几年时间的攻关，创造性的提出了一种全新的方案。首先利用铝材的延展性，将其冲压成半球形（图1a）；再通过对半球形的铝箔的阳极化，在铝的表面形成均匀的多孔氧化铝。以多孔氧化铝为基底，用化学气相沉积的方法生长纳米线，成功制备出半球形的高密度钙钛矿纳米线阵列（图1b-d），也即仿生视网膜。其直径与人眼的视网膜直径相近，约为2.2 cm。
图1. （a）球形模板的制备；（b-d）生长有钙钛矿纳米线的球形模板。(Gu, et al., Nature 581, 278-282 (2020).)
仿生眼的结构
仿生眼以上述仿生视网膜为核心，其整体为一电化学装置。如图2所示，仿生眼呈球形，腔体前端为一个透镜，一镀钨的铝壳（前电极），后侧则是半球形纳米线阵列仿生视网膜，为光阳极，中间填充离子液体作为电解液。仿生视网膜后端以液态金属纤维与纳米线接触形成背电极，每一个接触点即为一个独立像素，以多孔聚合物PDMS作为人工眼窝，排列液态金属纤维，形成背电极阵列，进而形成像素阵列。
在人眼中，由于视网膜倒装，光线要穿过视神经层才能到达感光细胞被吸收，穿透过程中会有光损失，降低了视网膜的灵敏度；另一方面视神经会聚成一束穿过视网膜连至大脑，因而会在视网膜上形成一个没有感光细胞的洞，即为盲点。在仿生眼中，仿生视网膜正装，因此克服了人眼中存在的光损失和盲点问题。
图2. （a）仿生眼的结构示意图；（b）仿生眼的外观；（c）仿生眼的前半球；（d）球形氧化铝模板；（e, f）氧化铝模板中的钙钛矿纳米线；（g）PDMS仿生眼窝。(Gu, et al., Nature 581, 278–282 (2020).)
仿生眼的工作原理
仿生眼的工作原理与染料敏化太阳能电池相仿（图3a&b）。钙钛矿纳米线受光照后会产生光生电子与空穴，在电场作用下电子迁移至离子液体/纳米线界面，还原I3-离子生成3个I-离子；而在离子液体/钨界面上I-被氧化形成I3-，所失电子经外电路传至纳米线/液态金属界面，与纳米线中的空穴复合，如此闭合，形成电流。
图3. 仿生眼的能带图以及工作原理。(Gu, et al., Nature 581, 278–282 (2020).)
仿生眼的性能表征
对单一像素进行表征可知， 在无光环境下，只有较小暗电流；而光照后产生了较明显的光电流，并且光电流大小与光强相关。仿生眼的响应速度、灵敏度以及光谱响应范围的测试结果显示（图4），其响应速度约为30 ms，最快可达到20 ms左右，略优于人眼（响应时间50 ms~100 ms）。而电化学仿生眼的灵敏性也较高，能对光强为0.3 µW/cm2的光产生响应。同时，仿生眼对于波长300 nm~800 nm的光均有响应，比人眼的光谱响应范围（400 nm~700 nm）略宽。
图4. 仿生眼的响应速度、灵敏度以及光谱响应范围的测试。(Gu, et al., Nature 581, 278–282 (2020).)
在成像性能测试过程中，将图像通过投影仪投到仿生眼上，经过信号处理能在电脑上重建图像（图5a&b）。其成像结果分布在一个半球状视网膜上，图像清晰，验证了其成像功能。另外仿生眼视角可达101度（图5d），高于平面器件，显示了曲面图像传感器相对平面传感器的优势，通过进一步优化背面电极排布，其视角可达甚至超过人眼的150°。
图5. 仿生眼成像测试。（a, b）测试电路及设备;（c）图像处理；（d）仿生眼的视角。(Gu, et al., Nature 581, 278–282 (2020).)
后续研究
仿生眼的制备方法以及器件结构对新型曲面光电器件的设计有指导作用，通过改变感光材料能实现不同波段的成像功能。
采用离子热电聚合物材料的仿生眼可以在没有冷却系统和外部电源的情况下对体温以上的物体进行红外成像，同时像素也提高到625个。器件的625个像素通过印刷电路板连接到一个计算机控制的多路复用器上（图6a）。不同像素的响应具有很好的一致性，且与温度呈正相关（图6b）。与传统的平面红外图像传感器相比，半球形的传感器确保了更宽的视场角：最大FoV约为135°，而平面结构的器件只有87°（图6c）。在室温下对人的手势进行成像（图6d-f），输出的图像无需算法处理即表现出良好的对比度，可以清楚地识别不同的手势。这证明了PIT图像传感器可以在室温下检测并成像常温物体。
图6. 测试系统以及成像结果展示。（Ding Y., et al., Sci. Adv., 8 (35), eabq8432, 2022）
应用前景
本系列研究创造性地开发了一系列工艺系统，成功制备了球形仿生眼，并有可能实现媲美人眼的超高分辨率。该新型仿生眼在视觉修复、曲面图像传感器以及超广角摄像头方面都有着很大的发展与应用前景。
目前世界上现有的视觉恢复技术十分有限且不成熟，现有商业化的产品，价格昂贵、性能较差，远远不能满足需要。基于高密度纳米线制作的可植入式人工视网膜，能产生密度很高的像素点，成像更为清晰。这项技术在未来可以帮助视觉残障人士重获光明，有着很高的市场化潜力。另一方面，如何制备曲面的图像传感器是困扰业界很久的一个难题。传统的工艺以硅片为基底，难以弯曲。而仿生视网膜中运用到的图像传感器制备工艺，为攻克这一难题提供了新的思路。
相关研究成果发表于《自然》(Gu, et al., Nature 581, 278–282 (2020))、《科学进展》（Ding Y., et al., Sci. Adv., 8 (35), eabq8432, 2022）。
范智勇教授简介
范智勇教授，现为香港科大电子与计算机工程系、化学与生物工程系教授、智能传感器与环境技术中心主任、香港科大深圳清洁能源与环境传感器技术实验室主任、电子和计算机工程课程研究生事务主任、材料表征和制备设施副主任、香港青年科学院创始成员，2022年腾讯“科学探索奖获得者”。
范教授曾于1998和2001年获复旦大学材料学系本科和硕士学位，2006年获加州大学欧文分校材料科学博士学位。曾任加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系博士后研究员，劳伦斯伯克利国家实验室博士后研究员。
范教授研究兴越集中在微纳电子及光电子器件，仿生器件。迄今在NatureNature Materials，Nature Photonics,Nature Communications, ScienceAdvances 等期刊发表200余篇学术论文，引用次数~26,000，H指数84，中国及美国专利30件。
由香港科技大学主理出品的【教授专栏】，汇集来自不同领域教授的学术成果、前沿论断及知识科普，用最新鲜的视角解读社会动态，以最前沿的角度解释科技奥秘。期待通过香港科技大学的平台，聚合更多新锐观点，打造出一期又一期生动又深刻的【教授专栏】！
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