5年內(nèi)讓人復(fù)明！港科大3D人工眼球?qū)⒔o盲人帶來福音

“如果給我三天光明，我會(huì)看見多少東西啊!”這是多少盲者的期盼。如果盲人能夠看見東西，是多么幸福的一件事。

近日，香港科技大學(xué)范志勇團(tuán)隊(duì)在Nature上發(fā)布的一款3D人工眼球給盲人帶來了新的福音。

該團(tuán)隊(duì)打造了一款完全模仿人眼結(jié)構(gòu)而來的電化學(xué)眼睛(EC-EYE)，直徑約為2cm，與人眼大小相當(dāng)。這也是世界上首個(gè)3D人工眼球。

EC-EYE外觀示意圖

“除了在結(jié)構(gòu)上與人眼相似外，這款半球形的人造眼球視網(wǎng)膜的納米線陣列密度比人類視網(wǎng)膜的光感受器密度高得多，因此有可能實(shí)現(xiàn)更高的圖像分辨率?！眻F(tuán)隊(duì)在論文中介紹。

不僅如此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，EC-EYE具有比人眼更強(qiáng)的感光度和靈敏度。經(jīng)過進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)，它甚至可以消除人的視野盲點(diǎn)。

“看諸如《星際迷航》、《機(jī)器人》等科幻電影時(shí)，我曾想過要制作出一種‘超人眼’，用于人形機(jī)器人和有視覺障礙的人。那時(shí)候，我的學(xué)生們認(rèn)為這是教授的又一個(gè)瘋狂主意?！比缃瘢吨居嘛@然離自己的夢(mèng)更近了一步。

“如果一切都按計(jì)劃進(jìn)行的話，那么該技術(shù)有可能在5年內(nèi)落地應(yīng)用?！?

“超級(jí)眼”團(tuán)隊(duì)，右三為范志勇

每年，全球有700萬人失明

對(duì)于人類來說，80%的環(huán)境信息要通過眼睛獲取，足見雙眼的重要性。但遺憾的是，視覺障礙如今仍然是全球范圍內(nèi)沒有完全解決的難題。

世界衛(wèi)生組織(WHO)去年發(fā)布的《世界視力報(bào)告》指出，全球至少有22億人正在承受視力受損或失明的痛苦，盲人數(shù)量每年增加700萬。其中至少10億人本可以預(yù)防或通過必要的醫(yī)療或護(hù)理服務(wù)來解決近視、遠(yuǎn)視、青光眼、白內(nèi)障等問題。

WHO設(shè)在日內(nèi)瓦的防盲及防聾規(guī)劃主任Thylefors強(qiáng)調(diào)，每年在中國(guó)約有45萬人失明，這意味著幾乎每一分鐘就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)新的盲人。

即便隨著科技進(jìn)步，越來越多的醫(yī)療手段正在出現(xiàn)，如矯正近視的飛秒手術(shù)。但視網(wǎng)膜色素變性、老年性黃斑變性等永久性的功能損傷，還是會(huì)逐漸剝奪患者眼前的世界，直到漆黑一片，最好的眼科醫(yī)生看著這一切的發(fā)生也無能為力。

好在，科學(xué)家們一直在堅(jiān)持研發(fā)仿生眼，且已經(jīng)取得了一些進(jìn)展。

所謂仿生眼，實(shí)際上就是打造一個(gè)視網(wǎng)膜假體，通過一系列光電信號(hào)轉(zhuǎn)化，將信號(hào)傳遞給視神經(jīng)，并傳導(dǎo)入大腦。隨后，這些信號(hào)會(huì)被解析為圖像，仿生眼就能成功“看”到了。

在EC-EYE之前，一家名為Second Sight的美國(guó)醫(yī)療產(chǎn)品公司已經(jīng)推出了仿生眼設(shè)備Argus II，并于2013年獲美國(guó)食藥監(jiān)局(FDA)批準(zhǔn)上市銷售。

仿生眼早就有了，但一戴就得戴一套

從外觀上看，Argus II是一副帶有微型攝像頭的眼鏡。攝像頭拍到的畫面會(huì)傳送到處理器上進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)換為大腦可以理解的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)無線傳輸給植入眼球內(nèi)部的人工視網(wǎng)膜，后者將其送往大腦。

雖然Argus II還有很大的缺憾，比如使用不便，以及使用者只能模模糊糊看到黑白的輪廓和光影，就像給世界打了一層厚厚的馬賽克，再比如高達(dá)15萬美元的售價(jià)，但這仍讓后天失明的人感覺十分滿足。

2015年是68歲的美國(guó)老人艾倫·澤拉德失明的第十個(gè)年頭?；忌蠂?yán)重視網(wǎng)膜色素變性的他，在10年前與妻子結(jié)婚時(shí)，甚至沒來得及看上一眼自己的新婚妻子。在被植入Argus II的人工視網(wǎng)膜并戴上了整套設(shè)備后，艾倫首次看到了妻子的容顏。

佩戴了Argus II的艾倫

“親愛的，你真美?！斌@呼后，艾倫痛哭失聲。

距離Argus II上市已經(jīng)過去了七年，雖然科學(xué)家們一直希望能夠打造一款能夠直連大腦的眼球性人造眼，但苦于主流的商用電荷耦合器件(CCD)和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器均為平面結(jié)構(gòu)，將之組裝為視網(wǎng)膜那樣的半球形極為困難。

而只有半球形的視網(wǎng)膜才能因?yàn)橥哥R原理，實(shí)現(xiàn)正常聚焦的成像。

港科大突破人造視網(wǎng)膜

范志勇團(tuán)隊(duì)的3D人工眼球之所以引人關(guān)注，正是因?yàn)樗鞘澜缟系谝粋€(gè)可以將人工視網(wǎng)膜制造成半球形狀，從而在外觀上完全仿造人眼的設(shè)計(jì)。如果能夠臨床應(yīng)用，將能讓失明者更容易、也更清晰地重新見到這個(gè)世界。

具體從構(gòu)造上來看，團(tuán)隊(duì)通過在半球形氧化鋁膜上排布高密度鈣鈦礦納米線(nanowires)陣列來模擬人類視網(wǎng)膜上的光感受器，其背面連接的液態(tài)金屬線用來模擬人類視網(wǎng)膜后的神經(jīng)纖維，以此實(shí)現(xiàn)了人造半球形視網(wǎng)膜的設(shè)計(jì)。

而后，團(tuán)隊(duì)將人造視網(wǎng)膜裝入由硅聚合物做成的眼窩中，前半側(cè)則是由鋁和鎢膜支撐的半球形殼體，內(nèi)部充滿離子液，與人眼玻璃體的存在相似。

具體結(jié)構(gòu)

除外觀外，直接排布在半球形膜層上的納米傳感器密度更高，可達(dá)4.6 x 10^8/平方厘米，是正常人眼視網(wǎng)膜光感受器細(xì)胞密度的40余倍，理論上完成更高分辨率的成像。

不僅如此，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與人眼對(duì)比的結(jié)果也給人們帶來極大驚喜。一方面，EC-EYE對(duì)光的敏感度與人眼相當(dāng);另一方面，人工視網(wǎng)膜對(duì)光的敏感度更高。納米線陣列受到光信號(hào)刺激后，會(huì)在19.2毫秒內(nèi)響應(yīng)并生成電流，是人眼反應(yīng)時(shí)間的一半。

EC-EYE的圖像傳感演示

不過，EC-EYE雖有突破，卻還存在很大的限制。比如生產(chǎn)工藝上，液態(tài)金屬導(dǎo)線如何進(jìn)一步減小直徑到與其連接的納米線相匹配，而這種微小零件帶來的量產(chǎn)的麻煩也很難解決，制造成本將極為高昂。

再者，一個(gè)常識(shí)是，電化學(xué)元件性能會(huì)漸漸變?nèi)酢F(tuán)隊(duì)在論文中也指出，在離子液濃度較高的情況下，液體中光透射的性能會(huì)下降。因此，人工視網(wǎng)膜能工作多久也尚未可知。

最重要的是，目前EC-EYE只能做到讓計(jì)算機(jī)識(shí)別電信號(hào)，至于如何讓感光設(shè)備安全地與大腦交互生成影像，即真正完成“看見”的動(dòng)作，是范志勇團(tuán)隊(duì)面臨的下一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。

雖然目前技術(shù)還不成熟，面臨多重挑戰(zhàn)，但對(duì)于盲人來說，這是一絲希望，期待真正幫助盲人看見。