角膜病變會引起人眼視力的下降，嚴重者甚至可能失明。據(jù)統(tǒng)計，全球約有上千萬人因角膜疾病而失明。角膜移植是治療這類疾病的有效方法，但由于角膜供體有限，僅有約1/70的患者可以及時進行角膜移植，多數(shù)患者則只能在黑暗里等待。
近年來，為了緩解角膜供體緊張，研究人員開發(fā)了多種類型的人造角膜。其中，波士頓型人造角膜的研究最為廣泛并已被應用于臨床治療。盡管這些人造角膜可以承擔人類原生角膜的保護和光折射等部分功能，但并不具備觸覺感知能力，無法實現(xiàn)角膜反射。因此，開發(fā)具有感覺的人造智能角膜，對解決角膜供體緊缺、治療角膜疾病具有重要意義。
日前，南開大學電子信息與光學工程學院徐文濤教授團隊設計并概念驗證了一種具有感覺的人造智能角膜，讓人造角膜距離人類原生角膜更近了一步。該研究成果近日發(fā)表在國際期刊《自然？通訊》上。
角膜就像眼睛的鏡頭，作為屈光介質看起來薄而透明，光線只有通過角膜才能進入眼睛內部。同時，作為眼睛的外屏障，外界的物質進入眼內也必須要經過角膜。因此，健康的角膜可以使眼睛免受外界物質的傷害。
此外，角膜是身體神經最密集的部分之一。當外界物質觸碰到角膜時，會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眼輪匝肌收縮，出現(xiàn)雙側瞬目動作。
“角膜反射可用于臨床診斷，以幫助醫(yī)生確認面癱等患者的病情。”徐文濤介紹，角膜健康時，被檢查者的眼瞼會迅速閉合，發(fā)生直接角膜反射；如刺激一側角膜，對側也出現(xiàn)眼瞼閉合反應，則稱為間接角膜反射。
近年來，徐文濤率領團隊專注于柔性神經仿生電子學領域，在柔性人造感知與運動神經、神經形態(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)國際首條人造觸覺傳入神經、首次提出并研發(fā)可對人造肌肉切換控制的人造傳出神經、開發(fā)出完整的多模態(tài)人造反射弧等。
在這些成果的基礎上，團隊針對人造角膜感覺重塑這一關鍵科學問題，展開了科技攻關。團隊設計并概念驗證了一款人造智能角膜，通過人造反射弧來重建“原生感覺”。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、處理核心和效應器，實現(xiàn)了對外界機械和光刺激的編碼、信息處理以及透射光的調節(jié)。
“我們利用振動—傳感器振蕩電路和光—傳感器振蕩電路，分別感知外界機械與光信息，并將其編碼為人造突觸可讀取的電脈沖信號；脈沖信號輸入到人造突觸進行處理后，再輸出至電致變色器件，以驅動其完成響應。”徐文濤介紹，電致變色器件的顏色會受到來自人造突觸的電學信號調節(jié)。隨著信號的增強，器件由淺藍色逐漸變化到深藍色，進一步使得透過器件的光線通量逐漸下降。這一過程模擬了眼輪廓肌的收縮，實現(xiàn)了對透射光線量的智能調控。
此外，團隊使用數(shù)字對準的ZTO纖維作為人造突觸的溝道，探究出了調控長、短程突觸可塑性的新方法。ZTO纖維不僅長而連續(xù)、綠色無毒、成本低廉、光學性能優(yōu)異（透過率大于99.89%，霧度小于0.36%），而且晶體結構精準可調，進而可定制長、短程突觸可塑性，被應用于聯(lián)想學習和加密通信。
徐文濤表示，團隊已經將人造智能角膜裝備于機器人上進行概念驗證。它不僅可以模仿眼輪匝肌的收縮，像人類原生角膜一樣具有保護、觸覺感知和光折射功能，并且拓展了光感知和環(huán)境交互能力，為眼睛在光強度不斷變化的環(huán)境中提供了額外的自適應保護，比人類原生角膜和傳統(tǒng)人造角膜更加智能。“未來，經優(yōu)化后的成熟人造智能角膜在神經修復和視覺康復方面具有廣泛的應用前景。”徐文濤說。
角膜病變會引起人眼視力的下降，嚴重者甚至可能失明。據(jù)統(tǒng)計，全球約有上千萬人因角膜疾病而失明。角膜移植是治療這類疾病的有效方法，但由于角膜供體有限，僅有約1/70的患者可以及時進行角膜移植，多數(shù)患者則只能在黑暗里等待。
近年來，為了緩解角膜供體緊張，研究人員開發(fā)了多種類型的人造角膜。其中，波士頓型人造角膜的研究最為廣泛并已被應用于臨床治療。盡管這些人造角膜可以承擔人類原生角膜的保護和光折射等部分功能，但并不具備觸覺感知能力，無法實現(xiàn)角膜反射。因此，開發(fā)具有感覺的人造智能角膜，對解決角膜供體緊缺、治療角膜疾病具有重要意義。
日前，南開大學電子信息與光學工程學院徐文濤教授團隊設計并概念驗證了一種具有感覺的人造智能角膜，讓人造角膜距離人類原生角膜更近了一步。該研究成果近日發(fā)表在國際期刊《自然？通訊》上。
角膜就像眼睛的鏡頭，作為屈光介質看起來薄而透明，光線只有通過角膜才能進入眼睛內部。同時，作為眼睛的外屏障，外界的物質進入眼內也必須要經過角膜。因此，健康的角膜可以使眼睛免受外界物質的傷害。
此外，角膜是身體神經最密集的部分之一。當外界物質觸碰到角膜時，會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眼輪匝肌收縮，出現(xiàn)雙側瞬目動作。
“角膜反射可用于臨床診斷，以幫助醫(yī)生確認面癱等患者的病情。”徐文濤介紹，角膜健康時，被檢查者的眼瞼會迅速閉合，發(fā)生直接角膜反射；如刺激一側角膜，對側也出現(xiàn)眼瞼閉合反應，則稱為間接角膜反射。
近年來，徐文濤率領團隊專注于柔性神經仿生電子學領域，在柔性人造感知與運動神經、神經形態(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)國際首條人造觸覺傳入神經、首次提出并研發(fā)可對人造肌肉切換控制的人造傳出神經、開發(fā)出完整的多模態(tài)人造反射弧等。
在這些成果的基礎上，團隊針對人造角膜感覺重塑這一關鍵科學問題，展開了科技攻關。團隊設計并概念驗證了一款人造智能角膜，通過人造反射弧來重建“原生感覺”。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、處理核心和效應器，實現(xiàn)了對外界機械和光刺激的編碼、信息處理以及透射光的調節(jié)。
“我們利用振動—傳感器振蕩電路和光—傳感器振蕩電路，分別感知外界機械與光信息，并將其編碼為人造突觸可讀取的電脈沖信號；脈沖信號輸入到人造突觸進行處理后，再輸出至電致變色器件，以驅動其完成響應。”徐文濤介紹，電致變色器件的顏色會受到來自人造突觸的電學信號調節(jié)。隨著信號的增強，器件由淺藍色逐漸變化到深藍色，進一步使得透過器件的光線通量逐漸下降。這一過程模擬了眼輪廓肌的收縮，實現(xiàn)了對透射光線量的智能調控。
此外，團隊使用數(shù)字對準的ZTO纖維作為人造突觸的溝道，探究出了調控長、短程突觸可塑性的新方法。ZTO纖維不僅長而連續(xù)、綠色無毒、成本低廉、光學性能優(yōu)異（透過率大于99.89%，霧度小于0.36%），而且晶體結構精準可調，進而可定制長、短程突觸可塑性，被應用于聯(lián)想學習和加密通信。
徐文濤表示，團隊已經將人造智能角膜裝備于機器人上進行概念驗證。它不僅可以模仿眼輪匝肌的收縮，像人類原生角膜一樣具有保護、觸覺感知和光折射功能，并且拓展了光感知和環(huán)境交互能力，為眼睛在光強度不斷變化的環(huán)境中提供了額外的自適應保護，比人類原生角膜和傳統(tǒng)人造角膜更加智能。“未來，經優(yōu)化后的成熟人造智能角膜在神經修復和視覺康復方面具有廣泛的應用前景。”徐文濤說。
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