生化电子义眼即将问世 关键来自微型太阳能板
在科幻电影中的生化电子眼,可能在不久后实现。(图/memory-alpha.fandom)
与传统假肢只有外观不同,「仿生学科技」(Biomimicry)是利用电子技术实现类似实际功能的替代器官。目前听力的部分已实现「人工耳蜗」,这是一种透过手术植入内耳的小型电子设备,可以刺激听觉神经,直接向大脑提供声音讯号,从而改善听力。 那么,眼睛也可以吗? 科学家相信,真正有功能的生化电子义眼可能不在久后就问世。
我们的眼睛就像照相机,其中担任「底片」的部分,是眼睛底部的视网膜,当光线照射到眼睛后部的视网膜时,视网膜上的感光细胞将其转换为电子讯号。这些讯号通过视神经传输到大脑,并在大脑中转化为我们看到的视力。
然而,不知为何,我们的眼睛具有先天上的缺陷,视网膜与感光细胞容易失去作用,包括视网膜剥离、黄斑部病变,青光眼等等,都因各种原因使感光细胞凋零,最终无法视物。
科学家思考,是否可以在眼睛底部植入人工感光器来取代受损的感光细胞,感光器产生的电压脉冲刺激视神经,使人们能够看到微小的点。这就是人工视网膜的想法。利用愈来愈高级的感光元件晶片(CCD)做为生化电子眼的基础,它提供高解析度的电讯号。但这有一个关键问题:它们需要供电。
新南威尔斯大学(UNSW)有了新的研究方向,利用微型太阳能光电板来为生化电子眼供电。
主要研究员罗默(Udo Römer)表示,他开始这项研究的原因,是一次与生物医学学生的交流,他说:「我的专业是太阳能光电板,有一回,我与我们学校的生物医学院博士生进行跨科系交流,他告诉我他的博士计划是利用太阳能光电创造人工神经讯号,他向我说明史丹佛大学帕兰克教授(Daniel Palanke)的研究论文,关于使用矽太阳能光电植入视网膜的可能,这是我读过的最科幻的论文之一,它根本就像科幻小说。」
之后,罗默与他的导师讨论研究计划时,提到「多层太阳能电池」,也就是将几种不同的太阳能电池堆叠在一起,以更好地利用完整的太阳光谱。这时,我灵机一动,「也许多层太阳能电池,就可以解决帕兰克教授的研究瓶颈」
他进一步解释,太阳能板本身就是一种吸收光线产生电讯号的设备,所以从本质上来说,它与感光元件的原理是差不多的,只是功能更单纯。「他们需要在每个像素中互连三个微型矽质太阳能电池,以将电压增加到足以刺激神经元的讯号值」
他说:「虽然我们不能轻易地堆叠矽太阳能电池,因为它不透光,但是新的半导体材料,比如砷化镓(GaAs)或是磷化镓铟 (GaInP)就不错。虽然它们不像矽那么便宜,但更容易调整。」
罗默在完成研究计划后,向澳洲研究委员会提出「潜力研究奖」(DECRA)申请,获得了该计划的资金。
该技术目前处于概念验证阶段。下一步是将微小的太阳能电池转变为精确视觉所需的微小像素。
罗莫说:「到目前为止,我们已经成功地将两个1平方公分的薄型太阳能电池叠放,并取得了一些良好的效果。当然这个尺寸还是太大,放不进眼睛里,所以末来的目标是2平方公厘,像素尺寸约为 50 微米。
目前该设备的感光效果还不够,只有靠雷射照射时才能运作,也只能出现解析度相当低的黑白影像。
罗莫说:「为了增加功率,我们也在设计辅助智慧眼镜,它们有更大的感光效果,可以与生化电子眼协同工作,将光线讯号放大到刺激眼睛神经元所需的强度。」