“我是一個科幻迷，很早就開始看《終結(jié)者》《星際迷航》這類的科幻電影了，我覺得科幻電影中的機器人看起來未來感十足，機器人的仿生眼也都特別酷炫 。。.。。.” 香港科技大學電子與計算機工程系范智勇教授如是說。

正是源于這樣一個科幻夢，范阿智勇及其團隊在自 2011 年以來的近 10 年時間內(nèi)，一直專注于仿生眼的突破性研究。

不久前，范智勇團隊在國際頂級科學期刊《自然》（Nature）雜志上發(fā)表的一篇題為 “A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina” 的論文中，提出了一種 “新型納米線球形仿生眼” 的概念，這一研究成果得到了業(yè)界同行專家的高度認可，被評述為 “過去幾十年來仿生眼開發(fā)的重要突破”。

論文的第一作者、香港科技大學電子與計算機工程系顧磊磊博士告訴 DeepTech，人眼功能之所以遠超現(xiàn)有的成像設(shè)備，一個重要原因是其不同尋常的球狀結(jié)構(gòu)，“但當前的半導體制造基于平面工藝，無法加工此種球面器件”。

在范智勇、顧磊磊等人的工作中，他們打破常規(guī)，將柔軟的鋁沖壓為半球狀，采用一種 “陽極氧化” 的技術(shù)將其轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)形狀的多孔氧化鋁納米模板，之后采用化學氣相沉積的方法將納米線長在納米孔道內(nèi)，從而形成高密度、半球狀分布的半導體納米線陣列，用以模仿核心視網(wǎng)膜，之后配合離子液體、液態(tài)金屬等新型材料，結(jié)合 3D 打印等新興科技，成功制備出球形電化學仿生眼，這一突破性方法有望使機器和人獲得接近人眼的高性能視覺。

對此，范智勇表示，該仿生眼不僅可以用做義眼（即人工植入假眼）幫助視覺殘障人士重獲光明，在手機、相機、無人機和自動駕駛等諸多領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛。

此外，該仿生眼還可以用來提升智慧城市的整體智能化水平。“相比于當前主流的平面攝像頭，球形仿生眼的成像效果更好，可以提高輸入數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量，進一步提高 AI 系統(tǒng)輸出信息的豐富度與準確性，而且由于數(shù)據(jù)整體質(zhì)量提高，AI 系統(tǒng)的算法也可以更加簡化，從而降低開發(fā)成本?！?顧磊磊說。

在航空航天領(lǐng)域，仿生眼也能發(fā)揮它的價值。航天器對自身的體積重量有嚴格的要求，如果使用傳統(tǒng)相機，要達到超廣角甚至 360° 全景成像，需要使用很多鏡頭組，或者像火星車一樣，使用少量攝像頭但需要大范圍旋轉(zhuǎn)，前者需要更多攝像頭，后者需要馬達驅(qū)動系統(tǒng)，兩種方案無疑都會增加航天器的能耗和重量。范智勇表示，“球形仿生眼，尤其是仿生復(fù)眼，視角接近 360°，以之取代平面攝像頭，可以大大簡化鏡頭的設(shè)計，降低整體質(zhì)量和體積。”

此外，在范智勇看來，由于仿生眼所用材料的光譜響應(yīng)范圍比人眼的光譜響應(yīng)范圍更寬廣，人類借助仿生眼甚至可以看到紅外線和紫外線。

他告訴 DeepTech，大疆創(chuàng)新的無人機、港科大的自動駕駛項目、商湯科技的機器視覺研究和華為的手機攝像頭，都可能是 “仿生眼” 的潛在應(yīng)用場景，目前正在探討具體的合作方式。

有望打破國外技術(shù)壟斷

“仿生眼是一個特殊的光電探測器件。” 范智勇說。

一直以來，范智勇都始終聚焦于做發(fā)光器件和光電探測器件等光電研究，他的另一個身份，是先進顯示與光電子技術(shù)國家重點實驗室的成員。

早在 2011 年，范智勇就想基于人眼的生物學特征創(chuàng)造一種全新的光電器件，但因為這一 “非常科幻” 的想法在當時面臨著太多的挑戰(zhàn)，并沒有迅速推進下去。2011-2016 年間，范智勇和其學生顧磊磊在這方面做了很多基礎(chǔ)性工作，才逐漸有了一些技術(shù)積累和科研成果，仿生眼的研究就這樣慢慢起步了。如今，他們已經(jīng)做出了仿生眼的原型，當初來自科幻電影的夢想正慢慢得以實現(xiàn)。

當前，他們正致力于推動仿生眼在機器視覺提升和人眼視覺障礙治療等方面的應(yīng)用。

他們希望可以從科幻電影中獲得靈感，真正地把仿生眼用在機器人上。與人眼一樣，球狀仿生眼不僅可以快速轉(zhuǎn)動，還具有 150-160° 的視角，同時也能避免人眼中由于視網(wǎng)膜倒裝造成的光損失及盲點問題。從理論上講，仿生眼的成像效果要優(yōu)于當前的手機攝像頭和廣角相機，能以更大角度采集場景數(shù)據(jù)，在機器人、無人機、無人駕駛等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

同時，他們也在實踐中發(fā)現(xiàn)，仿生眼同樣可以用來造福人類。

來自世界衛(wèi)生組織（WHO）等機構(gòu)的數(shù)據(jù)顯示，全球范圍內(nèi)已有 50 多億眼科疾病患者，其中中國有 10.8 億；目前全球眼科市場規(guī)模超過了 500 億美元，中國的眼科市場總體規(guī)模已經(jīng)由 2015 年的近 1000 億人民幣增長到了 2019 年的 1700 億人民幣，年化增長率高達 14% 左右。

可見，當前全盲、半盲和視覺殘障人士對仿生眼有著非常急切的需求。

人工視網(wǎng)膜是 “仿生眼” 的核心部件，對于一些與老齡化相關(guān)的疾病，比如因視網(wǎng)膜內(nèi)的視細胞退化不能產(chǎn)生有效的電刺激，進而無法產(chǎn)生神經(jīng)信號，當前的解決方法是，把人工視網(wǎng)膜貼到人的視網(wǎng)膜的前面或者后面，用電極或光電探測器替代視細胞產(chǎn)生電刺激，進而產(chǎn)生神經(jīng)信號，最終傳遞到大腦。但是，當前國內(nèi)眼科類手術(shù)中所使用的技術(shù)和設(shè)備基本上都來自國外，我國的原創(chuàng)技術(shù)較少。更重要的是，即使是國外的器件，手術(shù)后視覺恢復(fù)效果也并不好。

范智勇希望，他們的研究可以幫助這些眼病患者修復(fù)視網(wǎng)膜甚至取代整個眼球，同時也希望他們做出的仿生眼具有同等甚至超越人眼的功能。實驗數(shù)據(jù)顯示，目前他們做出的仿生眼，響應(yīng)速度比人眼快一倍，最高分辨率可達人眼的 6 倍，且這一半導體器件的靈敏度還可以繼續(xù)提高。

在與中國內(nèi)地和中國香港的醫(yī)生認真討論后，他們將納米線陣列放在視網(wǎng)膜前面或后面，通過納米線陣列本身產(chǎn)生的電壓信號或電流信號來刺激人體受損的感光細胞。

如果眼球已經(jīng)完全壞掉，他們將來會采取腦機接口等更激進的方法，直接使用人工眼替代眼球，通過金屬導線與金屬電極陣列相連，貼在視神經(jīng)中樞上，形成直接刺激。

目前，美國和德國開發(fā)的人工視網(wǎng)膜，由于效果差、費用高，實際采用的人比較少?！胺律鄣牟牧铣杀竞艿?，其實可以忽略不計，但目前在美國或德國做一次的成本大概為 100 萬人民幣，我們有信心把這個數(shù)字降低?！?范智勇說。

增強視覺的“隱形眼鏡”或最早獲得應(yīng)用

盡管已經(jīng)實現(xiàn)了技術(shù)上的突破，也得到了業(yè)界專家的高度認可，但在顧磊磊看來，這一研究還處于非常早期的階段，仍需進一步開展大量的基礎(chǔ)工作。“之前的工作只是相當于把架子搭起來，建立一個模型，內(nèi)部的材料、器件結(jié)構(gòu)還沒優(yōu)化，目前還只是黑白色的成像效果，仍需繼續(xù)添加人眼可觀察的紅綠藍和動物能看到的紫外線和紅外線?！?/p>

顧磊磊表示，用于機器的仿生眼理論上的分辨率可以做得很大，只需提高納米線的密度就可以，但目前后端電極部分的密度還不夠大，像素的總體密度也不夠大，成像分辨率還不夠高，之后可以把電極做小、做細。另外，在算法層面，如果有足夠多的像素點，就會產(chǎn)生足夠量的數(shù)據(jù)，但如何有效收集、如何高效處理這些數(shù)據(jù)，還需要在 AI 算法方面繼續(xù)做優(yōu)化，從而達到或超過人眼水平；如果要作為人工視網(wǎng)膜植入人眼，他們還需要測試改進材料的生物相容性和電化學穩(wěn)定性，目前正在準備開展相關(guān)的動物實驗。

范智勇也認為，人人都能佩戴仿生眼的時刻，還遠未到來。

“也許大概在 10 年之后，我們就可以通過佩戴類似于隱形眼鏡一樣的器件獲得視覺增強的功能，可以看到紅外線、紫外線，可以獲得高分辨率、高解析度的圖像，但要實現(xiàn)人人都可移植仿生眼的科幻夢，還需要很長時間，即使在技術(shù)上得以實現(xiàn)，也還需要考慮一些法律、法規(guī)問題。”

如今，他們已經(jīng)制定了一個 10 年計劃，5 年內(nèi)完成體外實驗和動物實驗，之后 5 年完成人體實驗。至于成本，范智勇認為，將取決于他們在未來 10 年中投入了多少資金，有多少人使用這項技術(shù)，而后者又取決于這項技術(shù)相比于美國和德國的技術(shù)是否更好用，“用的人多了，單個成本也就低了。當然，我們可能會成功，也可能會失敗?！?/p>

但正是顧磊磊近幾年在這一領(lǐng)域做出的基礎(chǔ)性研究成果，讓我們離實現(xiàn)仿生眼這一科幻夢更接近了一些。

“我來自不足 300 人的小山村”

顧磊磊出生在一個不足三百人的小山村，在他的印象里，那里有山無水、有草無路。“我的求學生涯開始于一座小廟改成的小學里，三個年級的二十個人擠在一個小教室里上課，教室與戲臺共用一個院子，每年村里唱大戲時，因為院子會被來看戲的觀眾占滿，我們就會被迫停課?！?但就算這樣，顧磊磊還是沖出了小山村來到了上海，在復(fù)旦大學完成了 7 年的學生生涯。

“2010 年，范智勇教授來復(fù)旦大學做講座，一個個精妙的想法、一個個新穎的器件完全顛覆了我的認知。碩士畢業(yè)后，我就加入了范教授的團隊，從博士到博士后，一直在跟隨范教授做仿生眼的研究?！?顧磊磊說。

從碩士開始，顧磊磊一直聚焦于一維納米結(jié)構(gòu)或材料的傳感器研究，至今已經(jīng)超過十年?！安煌A段都有不同的側(cè)重點，總體趨勢是在推動納米線傳感器向高性能、實用化的方向發(fā)展?！?/p>

碩士期間主要研究方向為一維納米結(jié)構(gòu)氣敏傳感器。在這時期主要研究單根納米線器件的氣敏性質(zhì)。通過材料修飾、器件設(shè)計得到高性能氣敏器件，但這些器件多為分立的單個器件。代表成就為制備了 ZnO/TiO 核殼結(jié)構(gòu)高性能濕度傳感器。

讀博期間，開始注重集成這一問題，主要研究基于一維集成納米結(jié)構(gòu)的新型光電子學?！凹{米線性能優(yōu)越，文獻中也報道了很多高性能納米線器件，但由于缺乏有效的手段對納米線進行排列集成，所得器件的密度低、器件與器件之間差異大，無法實用?！?為解決這一瓶頸問題，我開始直接生長排列整齊的納米線陣列，并將其組裝成集成的光電器件?！边@一階段的代表成就為制備了集成 1024 個像素點的基于三維納米線陣列的圖像傳感器。

在博士后階段，顧磊磊則專注于基于納米結(jié)構(gòu)的仿生光電子學。他希望將生物體中經(jīng)過數(shù)百萬年自然選擇的獨特性質(zhì)與現(xiàn)代納米科技結(jié)合起來，從而治療某些生理疾病或進一步提高器件的性能。代表成就為基于納米線陣列的球形電化學仿生眼。

顧磊磊表示，之后他將開始獨立的科研生涯，帶領(lǐng)團隊繼續(xù)深扎這一領(lǐng)域。