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“智慧眼”——植入眼中的计算机

By 2020年05月14日 六月 4th, 2020 No Comments

长久以来,人类都希望能够将美景好物留存下来,在未来反复回味。为此,史前人类为我们留下了洞穴壁画;后来,人类又在布匹或纸张上画下景色肖像,传流后世。照相机发明后,照片取代图画,起到了相同的作用。早期胶片照相机不断演进,由此人们发明了数码照相机;随着技术再进一步发展,出现了清晰度更高、模块更小的图像。渐渐地,照相机越变越小,能够安装到移动电话、小型无人机和眼镜上,并且附加了增强现实(Augmented Reality,简称 AR)等各种功能。未来,发展变化更是潜力无限,有朝一日我们的眼睛中可能置入小小的芯片,代替照相机。本文将为您介绍“智慧眼(Smart Eye)”概念。随着人们对于半导体技术的突破,这一概念未来可期。

“智慧眼”——多功能全景视角,远超视界

“智慧眼”是一种人工眼,能够执行简单拍照等一系列任务。“智慧眼”最基本的两个工作步骤是,改善视界,使人能够看到远处的物体;或者识别人眼之前无法识别的超小文本或物体。在使用“智慧眼”时,可能您只需稍微眨眨眼,就能够捕捉到一瞬眼之间的所看所见;或者可以通过网络连接与远方朋友实时共享视界。

“智慧眼”是一种电子设备,因此可以添加各种额外功能,如通过内嵌半导体芯片实现智能手机功能等。尤其,它可以与增强现实(AR)技术融合,丰富我们的日常生活。例如,借助“智慧眼”,您在阅读外语文章时,将可看到旁侧显示的译文,方便您随时随地品读;当您看到不熟悉的东西时,百科全书功能可以在物体的右侧自动显示说明信息。

这项技术还可以使您在虚拟视野空间中获取时间、天气等有用的日常信息,或在眨眼之间载入、检索储存日志或文档。出门在外,“智慧眼”还会显示虚拟的指示箭头,引领您前往目的地。一边逛商店一边了解商品的详细信息也不再是科幻电影的专属场景了。这些都是“智慧眼”可能为我们日常生活带来的积极变化。

图1 仿生视觉技术公司(Bionic Vision Technologies)的仿生眼系统(来源:仿生视觉技术公司官方网站)

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业界普遍认为,“智慧眼镜”作为“智慧眼”的前一步,已经实现了上述许多功能。澳大利亚仿生视觉技术公司(Bionic Vision Technologies)则在此基础上再进一步,尝试将芯片植入眼睛,并将芯片连接到眼镜外形的照相机上,以此将拍摄的照片传输至大脑。近期,仿生视觉技术公司发起的这项创新已经取得了显著的商业成果。在不久的将来,随着相关技术的进一步演进,设想中的“智慧眼”的实现速度可能比我们想象得更快。

当前进行的各种“人工眼球”研究项目是否会彻底代替人眼?

“智慧眼”何时能够实现?为此,我们先了解一下人工眼在这一方向的研究进程。

当前医学领域正在积极研究人工器官,不断促成各类人工器官的发展。其中实现了某些意义深远的结果,部分人工器官已经成功移植到患者身上。虽然人工眼有朝一日可能彻底代替人眼,但目前该项技术仍不够完备。究其原因不外乎人眼是人体最为复杂精细的一套器官。

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眼睛由角膜、晶状体、虹膜、瞳孔、视网膜和光学神经构成。角膜和晶状体能够折射外部传入的光线,虹膜能够控制穿过的光线数量,瞳孔是光线进入眼睛的地方,视网膜是成像的地方,而光学神经则负责将视觉信息传输到大脑。目前,人工眼研究人员采用外源组织或患者细胞,已经进入人工构造人眼各部分的阶段, 这是人工制作整个眼睛之前的阶段。

英国纽卡斯尔(Newcastle)大学试验了最新的角膜技术,于2018年利用3D生物打印技术成功复制出人工眼角膜。在此过程中,研究团队将角膜与海藻酸盐和胶原蛋白混合在一起,制成混合干细胞,并用3D生物打印机将其打印成人体眼角膜形态,这也是全球首个人工眼角膜。

在用电子设备制造人工眼的尝试中,美国第二视觉公司(Second Sight)于2013年开发的“Argus II”仿生眼可谓家喻户晓。2013年,Argus II获得美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration,简称 FDA)的批准,随后进行的临床试验表明,Argus II确实能够部分改善人眼视力。然而,它也有一个明显的局限,只能适用于患有特定眼疾的某些患者。

图2 明尼苏达大学研究团队开发的人工眼(来源:明尼苏达大学官方网站)

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在人工眼领域,明尼苏达(Minnesota)大学研究团队取得的最新成果尤为引人注目。2018年,该研究团队成功打印出能够在类似眼球的透明球体上接收光线的视网膜类受体。在相关技术支持下,该受体可通过光电二极管和半导体,将光信号转化为电子信号。虽然这种“眼睛”在半导体技术的支持下,能够成功接收并识别光信号,但它仍需要进一步的改善,才能形成具有商业化前景的人工眼。

半导体在实现人工眼中的作用

与其它电子设备相同,“智慧眼”也需要使用半导体。具体来说,人工眼需要使用逻辑半导体来操控系统,需要使用存储器半导体来储存系统运行所需的数据。人工眼的关键机制是将光信号转化为电子信号,并将信号传输至光学神经。电子设备镜头中最常使用的CMOS图像传感器(CMOS Image Sensor,简称 CIS)之所以如此重要,正是因为它能够执行相似的任务。

图3 CIS与人眼的工作机制

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CIS与人眼视网膜相似,是一种半导体产品,能够将光线的颜色和亮度转化为电子信号,并将信号传输至中央处理单元。CIS可以插入各种类型的摄像头中,恰如电子设备的眼睛。

尽管如此,当前的CIS技术在分辨率、三维度和感应度等重要方面,仍未达到人眼级别。人眼分辨率为576megapixels(简称 MP),而CIS目前能够达到的最高分辨率只有108MP。当周边环境的亮度突然发生变化时,CIS在接收视觉信息时可能会出现延迟。

然而,在某些领域,CIS的表现要优于人眼。人眼的视角大约为水平方向110°~120°,垂直方向150°,而CIS能够覆盖360°全景视野。CIS凭借自身的某些功能也可能超越人眼局限,如长焦功能可以让眼睛看到远距离物体。一旦CIS技术在分辨率和感应度方面达到人眼水平后,它就不仅能够代替人眼,而且能够实现肉眼无法达到的先进功能。

SK海力士CIS市场营销策略技术负责人(Technical Leader,简称 TL)趙頀玲表示:“人眼的主要目的是识别而非显示收集到的视觉信息,CIS则旨在保护输出的视觉信息。如果未来CIS的识别度能够达到人眼水平,那么它也可以作为显示设备,输出收集到的信息”。

趙頀玲还表示:“与人眼不同的是,CIS可以被设计为多个单独模块,服务于多种目的。因此,CIS是可分离的,用户可根据不同的场景安装不同的CIS。CIS非常灵活方便,能够给我们的日常生活带来更多便利。”

 

1BioINwatch 19-51: Core Technology for Bio Artificial Organs, “Organoids”, Biotech Policy Research Center (2019)
22017 Technology Impact Assessment Result Report: The Future of Bio-Artificial Organs, Korea Institute of Science & Technology Evaluation and Planning, Ministry of Science and ICT (2018)
32017 Promising Future Technology Program Organ Bio, National Research Foundation of Korea (2017)
43D Printing Technology for Biomedical Applications, So Hyeon Park, Sang Gu Yim, Seung Yun Yang, and Se Hyun Kim, No 1, Volume 18 (2015), Prospectives of Industrial Chemistry (2015)
5Series 19: Artificial Organs for New Life, “Scientific Technology Told by Great Scholars”, The Korean Academy of Science and Technology, Young Ha Kim, Free Academy
6Medical Device Item Market Report: Intraocular Lens, Kyung-hwa Ko, Korea Health Industry Development Institute (2013)
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8Research Brief: Researchers 3D print prototype for ‘bionic eye’, University of Minesota(https://twin-cities.umn.edu/research-brief-researchers-3d-print-prototype-bionic-eye)
9Korea Institute of Science and Technology (KIST) website, https://www.kist.re.kr
10Korea Institute of S&T Evaluation and Planning (KISTEP) website, https://www.kistep.re.kr

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