生化電子義眼即將問世 關鍵來自微型太陽能板

生化電子義眼即將問世 關鍵來自微型太陽能板

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在科幻電影中的生化電子眼,可能在不久後實現。(圖/memory-alpha.fandom)

與傳統假肢只有外觀不同,「仿生學科技」(Biomimicry)是利用電子技術實現類似實際功能的替代器官。目前聽力的部分已實現「人工耳蝸」,這是一種透過手術植入內耳的小型電子設備,可以刺激聽覺神經,直接向大腦提供聲音訊號,從而改善聽力。 那麼,眼睛也可以嗎? 科學家相信,真正有功能的生化電子義眼可能不在久後就問世。

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我們的眼睛就像照相機,其中擔任「底片」的部分,是眼睛底部的視網膜,當光線照射到眼睛後部的視網膜時,視網膜上的感光細胞將其轉換爲電子訊號。這些訊號通過視神經傳輸到大腦,並在大腦中轉化爲我們看到的視力。

然而,不知爲何,我們的眼睛具有先天上的缺陷,視網膜與感光細胞容易失去作用,包括視網膜剝離、黃斑部病變,青光眼等等,都因各種原因使感光細胞凋零,最終無法視物。

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科學家思考,是否可以在眼睛底部植入人工感光器來取代受損的感光細胞,感光器產生的電壓脈衝刺激視神經,使人們能夠看到微小的點。這就是人工視網膜的想法。利用愈來愈高級的感光元件晶片(CCD)做爲生化電子眼的基礎,它提供高解析度的電訊號。但這有一個關鍵問題:它們需要供電。

新南威爾斯大學(UNSW)有了新的研究方向,利用微型太陽能光電板來爲生化電子眼供電。

主要研究員羅默(Udo Römer)表示,他開始這項研究的原因,是一次與生物醫學學生的交流,他說:「我的專業是太陽能光電板,有一回,我與我們學校的生物醫學院博士生進行跨科系交流,他告訴我他的博士計劃是利用太陽能光電創造人工神經訊號,他向我說明史丹佛大學帕蘭克教授(Daniel Palanke)的研究論文,關於使用矽太陽能光電植入視網膜的可能,這是我讀過的最科幻的論文之一,它根本就像科幻小說。」

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之後,羅默與他的導師討論研究計劃時,提到「多層太陽能電池」,也就是將幾種不同的太陽能電池堆疊在一起,以更好地利用完整的太陽光譜。這時,我靈機一動,「也許多層太陽能電池,就可以解決帕蘭克教授的研究瓶頸」

他進一步解釋,太陽能板本身就是一種吸收光線產生電訊號的設備,所以從本質上來說,它與感光元件的原理是差不多的,只是功能更單純。「他們需要在每個像素中互連三個微型矽質太陽能電池,以將電壓增加到足以刺激神經元的訊號值」

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他說:「雖然我們不能輕易地堆疊矽太陽能電池,因爲它不透光,但是新的半導體材料,比如砷化鎵(GaAs)或是磷化鎵銦 (GaInP)就不錯。雖然它們不像矽那麼便宜,但更容易調整。」

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羅默在完成研究計劃後,向澳洲研究委員會提出「潛力研究獎」(DECRA)申請,獲得了該計劃的資金。

該技術目前處於概念驗證階段。下一步是將微小的太陽能電池轉變爲精確視覺所需的微小像素。

羅莫說:「到目前爲止,我們已經成功地將兩個1平方公分的薄型太陽能電池疊放,並取得了一些良好的效果。當然這個尺寸還是太大,放不進眼睛裡,所以末來的目標是2平方公釐,像素尺寸約爲 50 微米。

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目前該設備的感光效果還不夠,只有靠雷射照射時才能運作,也只能出現解析度相當低的黑白影像。

羅莫說:「爲了增加功率,我們也在設計輔助智慧眼鏡,它們有更大的感光效果,可以與生化電子眼協同工作,將光線訊號放大到刺激眼睛神經元所需的強度。」