具有触觉、感官扩展和交互功能的人工智能角膜
2023-11-12 08:06:33   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

角膜位于眼睛的前部，是一种具有光聚焦功能的透明结构，可以保护虹膜和晶状体不受外来物质的损伤。角膜是人体神经最密集的部位，因此对外来污染物非常敏感，触摸角膜会引起不自主的眼睑闭合反射（角膜反射）。然而，角膜疾病能够致盲，目前，全世界有超过1000万人患有双侧角膜盲。同种异体供体角膜移植（即角膜移植）是治疗这种疾病最常见的医疗手段，但由于供体角膜的稀缺，只有约七十分之一的患者可以接受角膜移植手术，目前有1270万患者仍在等待中。

为了解决这一问题，符合光学和透明度要求的人工角膜替代物应运而生。然而，虽然现有的人工角膜可以承担天然角膜的部分功能，例如保护和光折射等，但其无法重建触觉，因此也就无法实现角膜反射。因此，尝试开发一种具有触觉，甚至具有感官扩展和交互功能的“智能”人工角膜，对于角膜盲患者的视力恢复具有重要意义。此外，这些功能必须通过内置的“隐形”电子器件来实现，以达到天然角膜的高透明度和低雾度。

据麦姆斯咨询报道，为了填补以上空白，近期，来自南开大学的研究人员开发了一种人工智能角膜，其具有与人类天然角膜一样的保护、触觉感知和光折射功能，并具有感官扩展（拓宽现有的感官体验）和交互功能。相关研究成果以“An artificially-intelligent cornea with tactile sensation enables sensory expansion and interaction”为题发表在nature communications期刊上。

具体而言，研究人员首先构建了一个人工角膜反射弧，其由一个振动传感器-振荡电路，一个氧化锌锡（ZTO）人工突触（AS），一个放大器电路和一对电致变色器件构成。其中，振动传感器-振荡电路作为感受器将机械刺激转换为电脉冲；氧化锌锡人工突触作为处理核心，用于传递和整合信息；放大器电路用于输出所需电压以操作执行器；电致变色器件充当执行器，对突触后电流做出响应。

图1 人工角膜反射弧的构建原理和应用

在人体中，眼轮匝肌的收缩会降低进入眼睛的光线强度，因此，研究人员利用可以由浅蓝色变为深蓝色并同步降低透光率的电致变色器件作为执行器来模拟眼轮匝肌的收缩。利用以上方法构建的人工角膜反射弧与天然角膜一样具有保护、触觉感知和光折射等功能，还可以模拟眼轮匝肌的收缩。其比人体天然角膜和不能感知触觉刺激的传统人工角膜更加智能。因此，研究人员将这种人工角膜反射弧命名为“具有触觉的人工智能角膜”。

图2 具有触觉的人工智能角膜

人体天然角膜不具备光感知和随光强度变化而调节的功能。当光通过角膜进入眼睛时，会被视网膜上的光感受器（视杆细胞和视锥细胞）检测到，然后光感受器将光信号转换为动作电位，并通过视神经传递到大脑皮层。为了增加这种具有触觉的人工智能角膜的智能度，研究人员通过利用光传感器-振荡电路代替原有的振动传感器-振荡电路赋予了其光感知能力，从而使得这种人工智能角膜具备了感官扩展的功能，获得了对外界光刺激的感知和响应能力。

图3 人工智能角膜的感官扩展和交互功能

最后，作为概念验证，研究人员给机器人装配了人工智能角膜。验证结果显示，在弱光下，这种人工智能角膜呈高透光率的浅蓝色；在强光下，其会变为低透光率的深蓝色。总而言之，该研究开发的人工智能角膜与人类神经系统在逻辑上兼容，具备人类天然角膜的保护、触觉感知和光折射功能，并扩展了人类天然角膜不具备的光感知和交互功能。

展望未来，该研究开发的人工智能角膜在生物相容性、稳定性、尺寸和集成度等方面还需要进行进一步的优化。经过开发和优化，这种人工智能角膜可以移植到等待医疗干预的角膜盲患者体中，从而缓解供体角膜的短缺。因此，优化后的成熟人工智能角膜在神经修复和视觉康复方面具有潜在的应用前景。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-42240-3

延伸阅读：

《机器人传感器技术及市场-2022版》

《触觉技术及市场-2022版》