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假肢都已经产生了触觉,对面的仿生眼怎么样了?

2018-09-05 23:12:09 0 智能硬件 | , ,

公众号/脑极体

文/小豪

小的时候对仿生眼充满了阴影,这阴影来自电影《力王》中副监狱长单眼蛇。肥头大耳、面目狰狞,再加上一只假眼,看着就不寒而栗。

多年之后终于知道,单眼蛇的那只假眼就是一个玻璃球,除了装饰之外没有任何作用,甚至都称不上是仿生眼。而不仅仅是假眼,在科技尚不发达的过去,多数假体的作用仅仅在于对人的肢体补充完整,使其看起来像一个常人。

今天,人们已经不满足于义肢、义眼的补缺作用,而想要将其变得更加贴近真实的人体。比如在义肢在接入了神经之后,可以拥有感觉,从而更加方便残疾人的生活。这无疑是一个巨大的进步,它意味着义肢、假体之类可能正真正成为人的身体的一部分。

而在诸多假体当中,关于仿生眼的研究也较为热门。与一般的假体不同,仿生眼要涉及非常复杂的视网膜神经系统,它不仅仅是要提供一种感觉,还要通过各种信号的转化让大脑神经感知到这个世界。相对肢体残疾而言,失明是更难以忍受的事情,因此尽管研究艰难,科学家们却并没有放弃对仿生眼的研究。

内外结合:仿生眼初步探索

既然是仿生眼,那就与装饰不同,其根本目的是让盲人能够恢复光明。

人之所以能够看到东西,是视网膜把集中在其上的光线转换成电波,然后视觉神经将这些电波发送到大脑。大脑经过解析,就转为了我们所看到的影像。一般来说,人们失明是由于视网膜遭到破坏,但视觉神经仍然健全。这也就为仿生眼的研究提供了可能。

比较普遍的仿生眼研究的原理是,将一个摄像头安装在眼镜上,然后通过电极将摄像头与视觉神经相连,直接可以将摄像头所捕捉到的内容转化为电波输送到大脑;或者制造一个电子视网膜假体来替代视网膜的作用,盲人也就可以恢复部分视觉。

在这个方面研究比较早的是美国仿生眼制造商第二视觉公司。其在2013年就开发了名为“Argus II”仿生眼。该仿生眼是美国FDA批准的世界上第一个用于重度视网膜变性而失明的视觉恢复系统,其主要有两部分的设备组成。

一个是视网膜植入物,通过手术将一个视网膜假体植入于眼球上,包括信号接收器、电子接收盒和电极阵列;另一个则是体外的穿戴设备,包括一副眼镜、一个摄像头和视频处理器。视频处理器将摄像头捕捉到的视频图像进行信号处理,发送给内置的信号接收器,然后由电极阵列模拟视网膜神经,传递给大脑信号。这样盲人就可以看到图像。

“Argus II”仿生眼带来的效果是震撼的,它在英国、美国和日本的多个实验中取得了不错的口碑,有年过六十的人第一次见到自己的妻子。虽然其视觉成像仍然比较模糊且限于黑白,但其本身所蕴含的意义远大于技术本身。

利用外置设备和内置视网膜假体结合的仿生眼研究有很多,比如德国Retina Implant公司研制的电池动力仿生眼、澳大利亚莫纳什大学研发的直接在大脑视觉处理区域植入可以产生500个发光点的小块等。

但问题在于,这种内外置设备结合的问题显然会产生很多麻烦,比如Argus II的外部设备包括一副眼镜、摄像头和一个视频处理器,对盲人而言要时刻戴在鼻梁上会很沉重,而且睡觉醒来寻找也比较麻烦。

为什么不能像人一样,直接作用于眼球呢?

与眼镜相比,

仿生眼球或许才更“仿生”

最理想的情况,自然是制造一个放生眼球,往眼眶里一装,人的视力就恢复如初。只不过相较于利用外部设备转换信号传递给视觉神经,对眼球感光的模仿自然难度更高。

但并非没有尝试者。2015年美国科罗拉多州一家医院为通过5个小时的手术,为一名女子移植了一个人造仿生眼球。该仿生眼球由一个内置的芯片和微型摄像头组成,摄像头将采集的图像传送给芯片,然后再由芯片刺激神经把图像信息传送给大脑。把采集和处理元件全都集中在仿生眼球上,一定程度上就减少了眼镜、摄像头、视频处理器等诸多设备带来的麻烦。

但从实际效果上来讲,这个仿生眼球能产生的图像信息非常有限:模糊、仅限于黑白。重要的是,它实在是太丑了。实用性太弱,又缺乏重要的技术突破,导致其虽然诞生接近三年并且有过手术实例,但仍然不是Argus II等仿生眼的对手。

但最近明尼苏达大学的研究人员在仿生眼球上取得的新突破或许会形成对外置仿生眼的有力抗衡。研究人员第一次实现了利用3D打印的方式在半球的表面打印一系列光感受器。其首先用银粒子在半球玻璃体内打印了一个底座,然后利用半导体聚合材料在底座上打印出了能将光转换为电的光电二极管。经过测试,这些电极管可以光转电的效率可以达到25%。

理论上来说,光转电的效率越高,仿生眼的成像效果就越好;如果效率提不上去的话,布置更多的电极管也可以达到高度成像的效果。

该技术至少在两方面有非常积极的应用意义。第一,它令仿生眼球的直接光电二极管布置成为可能,节省了微制造设备制造然后安装的工序;第二,在体积可以不断缩小的情况下,可以在眼球上打印足够数量的光电二极管,从而呈现出更加贴近实际图像的效果。

而仿生眼球面临的一个最大问题就是,其要内嵌到眼窝中,这就对制造玻璃体的材料提出了很高的要求。如果是用一般的玻璃材料,很大可能会引起患者的不适,甚至引起一些过敏反应。也正由于此,明尼苏达大学的研究人员也致力于寻找柔软的半球状材料,以实现眼球植入的最终应用。

虽然从技术上来讲,仿生眼球还不如仿生眼镜那样成熟,但从未来着眼,仿生眼球是更适合人类需求的产品。它可以消除盲人与正常人之间的差异,甚至帮助其拥有超乎常人的惊人视力,自然也必将拥有广大的消费市场。

仿生眼的短板:色彩、距离、成本

虽然现在已经有很多人利用仿生眼获得了光明,而且关于仿生眼的技术也是在不断迭代,但其距离理想中的效果还是比较远的。要想成为更加实用的产品,仿生眼还必须要克服以下几个短板。

1. 色彩问题。以Argus II为例。作为第一款在全球范围内销售的产品,其虽然帮助患者重新看见,但多数人表示仅仅能以黑白来区分事物,仅仅有少部分人表示其可以看到事物的真实颜色。也就是说,患者们看到的事物与正常人看到的是不一样的,他们需要不断地对大脑进行训练,才能逐渐理解眼前的事物。虽然对患者来说,重见光明已经是巨大的惊喜,但更好的视觉也应该是不变的追求。

2. 距离问题。目前而言,仿生眼可以说是是“近视眼”。患者可以看报纸、做阅读,但举目远望,可能就只是一片马赛克了。比如澳大利亚的解决方案是植入500个发光点,而人的眼睛里这样的发光点大概有一百万个左右。所以,患者可能只能看清20厘米左右的东西,再远就不行了。简单来说,如何提高仿生眼的“分辨率”,是让患者看得远的基本问题。而据测算,人眼的分辨率高达5.76亿,要想达到这个水平,仿生眼研制可谓“道阻且长”。

3. 成本问题。需要明确的是,全世界的盲人群体人数超过3600万,还有超过2亿人存在重度或重度视力受损的情况。但仿生眼的价格却是居高不下,2013年Argus II开售的时候,价格超过了15万美元,而且这还仅仅是设备价格,不包括手术、后期康复等费用。这样的高昂价格,恐怕不是一般人能消费得起的。如果可以通过成本控制、医保等手段将仿生眼的市场价格降到一个普通患者可以接受的水平,于患者而言是福利,于企业而言也将获得巨大的经济效益。

其实以现在的应用效果来看,仿生眼之路也才刚刚开始。我们相信随着技术的发展,关于仿生眼的各种技术难点也会被逐个击破。光明的世界终将属于所有人,伴随睁开眼睛而来的再也不会是黑暗。

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