利用人造反射弧實(shí)現(xiàn)對(duì)光刺激的編碼、信息處理 為智能角膜重建“原生感覺(jué)”

　　角膜病變會(huì)引起人眼視力的下降，嚴(yán)重者甚至可能失明。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球約有上千萬(wàn)人因角膜疾病而失明。角膜移植是治療這類(lèi)疾病的有效方法，但由于角膜供體有限，僅有約1/70的患者可以及時(shí)進(jìn)行角膜移植，多數(shù)患者則只能在黑暗里等待。

　　近年來(lái)，為了緩解角膜供體緊張，研究人員開(kāi)發(fā)了多種類(lèi)型的人造角膜。其中，波士頓型人造角膜的研究最為廣泛并已被應(yīng)用于臨床治療。盡管這些人造角膜可以承擔(dān)人類(lèi)原生角膜的保護(hù)和光折射等部分功能，但并不具備觸覺(jué)感知能力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)角膜反射。因此，開(kāi)發(fā)具有感覺(jué)的人造智能角膜，對(duì)解決角膜供體緊缺、治療角膜疾病具有重要意義。

　　日前，南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院徐文濤教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并概念驗(yàn)證了一種具有感覺(jué)的人造智能角膜，讓人造角膜距離人類(lèi)原生角膜更近了一步。該研究成果近日發(fā)表在國(guó)際期刊《自然·通訊》上。

　　角膜就像眼睛的鏡頭，作為屈光介質(zhì)看起來(lái)薄而透明，光線只有通過(guò)角膜才能進(jìn)入眼睛內(nèi)部。同時(shí)，作為眼睛的外屏障，外界的物質(zhì)進(jìn)入眼內(nèi)也必須要經(jīng)過(guò)角膜。因此，健康的角膜可以使眼睛免受外界物質(zhì)的傷害。

　　此外，角膜是身體神經(jīng)最密集的部分之一。當(dāng)外界物質(zhì)觸碰到角膜時(shí)，會(huì)引起不自主的眼瞼閉合反射(角膜反射)，即反射作用引起雙側(cè)眼輪匝肌收縮，出現(xiàn)雙側(cè)瞬目動(dòng)作。

　　“角膜反射可用于臨床診斷，以幫助醫(yī)生確認(rèn)面癱等患者的病情。”徐文濤介紹，角膜健康時(shí)，被檢查者的眼瞼會(huì)迅速閉合，發(fā)生直接角膜反射;如刺激一側(cè)角膜，對(duì)側(cè)也出現(xiàn)眼瞼閉合反應(yīng)，則稱(chēng)為間接角膜反射。

　　近年來(lái)，徐文濤率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注于柔性神經(jīng)仿生電子學(xué)領(lǐng)域，在柔性人造感知與運(yùn)動(dòng)神經(jīng)、神經(jīng)形態(tài)電子器件和材料的數(shù)碼可控打印等方向取得了系列原創(chuàng)性成果。其中包括提出概念并研發(fā)國(guó)際首條人造觸覺(jué)傳入神經(jīng)、首次提出并研發(fā)可對(duì)人造肌肉切換控制的人造傳出神經(jīng)、開(kāi)發(fā)出完整的多模態(tài)人造反射弧等。

　　在這些成果的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)針對(duì)人造角膜感覺(jué)重塑這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，展開(kāi)了科技攻關(guān)。團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并概念驗(yàn)證了一款人造智能角膜，通過(guò)人造反射弧來(lái)重建“原生感覺(jué)”。該反射弧分別以傳感器振蕩電路、氧化鋅錫(ZTO)纖維基人造突觸和電致變色器件作為感受器、處理核心和效應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外界機(jī)械和光刺激的編碼、信息處理以及透射光的調(diào)節(jié)。

　　“我們利用振動(dòng)—傳感器振蕩電路和光—傳感器振蕩電路，分別感知外界機(jī)械與光信息，并將其編碼為人造突觸可讀取的電脈沖信號(hào);脈沖信號(hào)輸入到人造突觸進(jìn)行處理后，再輸出至電致變色器件，以驅(qū)動(dòng)其完成響應(yīng)。”徐文濤介紹，電致變色器件的顏色會(huì)受到來(lái)自人造突觸的電學(xué)信號(hào)調(diào)節(jié)。隨著信號(hào)的增強(qiáng)，器件由淺藍(lán)色逐漸變化到深藍(lán)色，進(jìn)一步使得透過(guò)器件的光線通量逐漸下降。這一過(guò)程模擬了眼輪廓肌的收縮，實(shí)現(xiàn)了對(duì)透射光線量的智能調(diào)控。

　　此外，團(tuán)隊(duì)使用數(shù)字對(duì)準(zhǔn)的ZTO纖維作為人造突觸的溝道，探究出了調(diào)控長(zhǎng)、短程突觸可塑性的新方法。ZTO纖維不僅長(zhǎng)而連續(xù)、綠色無(wú)毒、成本低廉、光學(xué)性能優(yōu)異(透過(guò)率大于99.89%，霧度小于0.36%)，而且晶體結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)可調(diào)，進(jìn)而可定制長(zhǎng)、短程突觸可塑性，被應(yīng)用于聯(lián)想學(xué)習(xí)和加密通信。

　　徐文濤表示，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將人造智能角膜裝備于機(jī)器人上進(jìn)行概念驗(yàn)證。它不僅可以模仿眼輪匝肌的收縮，像人類(lèi)原生角膜一樣具有保護(hù)、觸覺(jué)感知和光折射功能，并且拓展了光感知和環(huán)境交互能力，為眼睛在光強(qiáng)度不斷變化的環(huán)境中提供了額外的自適應(yīng)保護(hù)，比人類(lèi)原生角膜和傳統(tǒng)人造角膜更加智能。“未來(lái)，經(jīng)優(yōu)化后的成熟人造智能角膜在神經(jīng)修復(fù)和視覺(jué)康復(fù)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。”徐文濤說(shuō)。

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