为智能角膜重建“原生感觉”

本文转自：科技日报

利用人造反射弧实现对光刺激的编码、信息处理

为智能角膜重建“原生感觉”

图为装备了团队研发的人造智能角膜的机器人。 南开大学供图

◎本报记者 陈 曦

角膜病变会引起人眼视力的下降，严重者甚至可能失明。据统计，全球约有上千万人因角膜疾病而失明。角膜移植是治疗这类疾病的有效方法，但由于角膜供体有限，仅有约1/70的患者可以及时进行角膜移植，多数患者则只能在黑暗里等待。

近年来，为了缓解角膜供体紧张，研究人员开发了多种类型的人造角膜。其中，波士顿型人造角膜的研究最为广泛并已被应用于临床治疗。尽管这些人造角膜可以承担人类原生角膜的保护和光折射等部分功能，但并不具备触觉感知能力，无法实现角膜反射。因此，开发具有感觉的人造智能角膜，对解决角膜供体紧缺、治疗角膜疾病具有重要意义。

日前，南开大学电子信息与光学工程学院徐文涛教授团队设计并概念验证了一种具有感觉的人造智能角膜，让人造角膜距离人类原生角膜更近了一步。该研究成果近日发表在国际期刊《自然？通讯》上。

角膜就像眼睛的镜头，作为屈光介质看起来薄而透明，光线只有通过角膜才能进入眼睛内部。同时，作为眼睛的外屏障，外界的物质进入眼内也必须要经过角膜。因此，健康的角膜可以使眼睛免受外界物质的伤害。

此外，角膜是身体神经最密集的部分之一。当外界物质触碰到角膜时，会引起不自主的眼睑闭合反射（角膜反射），即反射作用引起双侧眼轮匝肌收缩，出现双侧瞬目动作。

“角膜反射可用于临床诊断，以帮助医生确认面瘫等患者的病情。”徐文涛介绍，角膜健康时，被检查者的眼睑会迅速闭合，发生直接角膜反射；如刺激一侧角膜，对侧也出现眼睑闭合反应，则称为间接角膜反射。

近年来，徐文涛率领团队专注于柔性神经仿生电子学领域，在柔性人造感知与运动神经、神经形态电子器件和材料的数码可控打印等方向取得了系列原创性成果。其中包括提出概念并研发国际首条人造触觉传入神经、首次提出并研发可对人造肌肉切换控制的人造传出神经、开发出完整的多模态人造反射弧等。

在这些成果的基础上，团队针对人造角膜感觉重塑这一关键科学问题，展开了科技攻关。团队设计并概念验证了一款人造智能角膜，通过人造反射弧来重建“原生感觉”。该反射弧分别以传感器振荡电路、氧化锌锡（ZTO）纤维基人造突触和电致变色器件作为感受器、处理核心和效应器，实现了对外界机械和光刺激的编码、信息处理以及透射光的调节。

“我们利用振动—传感器振荡电路和光—传感器振荡电路，分别感知外界机械与光信息，并将其编码为人造突触可读取的电脉冲信号；脉冲信号输入到人造突触进行处理后，再输出至电致变色器件，以驱动其完成响应。”徐文涛介绍，电致变色器件的颜色会受到来自人造突触的电学信号调节。随着信号的增强，器件由浅蓝色逐渐变化到深蓝色，进一步使得透过器件的光线通量逐渐下降。这一过程模拟了眼轮廓肌的收缩，实现了对透射光线量的智能调控。

此外，团队使用数字对准的ZTO纤维作为人造突触的沟道，探究出了调控长、短程突触可塑性的新方法。ZTO纤维不仅长而连续、绿色无毒、成本低廉、光学性能优异（透过率大于99.89%，雾度小于0.36%），而且晶体结构精准可调，进而可定制长、短程突触可塑性，被应用于联想学习和加密通信。

徐文涛表示，团队已经将人造智能角膜装备于机器人上进行概念验证。它不仅可以模仿眼轮匝肌的收缩，像人类原生角膜一样具有保护、触觉感知和光折射功能，并且拓展了光感知和环境交互能力，为眼睛在光强度不断变化的环境中提供了额外的自适应保护，比人类原生角膜和传统人造角膜更加智能。“未来，经优化后的成熟人造智能角膜在神经修复和视觉康复方面具有广泛的应用前景。”徐文涛说。