仿生眼研究论文

仿生眼研究论文

2008年8月Angewandte Chemie杂志报道了澳大利亚莫纳什大学的利昂·斯皮西亚、罗宾·布里姆布来可比和安妮特·可罗，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的格哈德·斯伟格斯和美国普林斯顿大学的查尔斯·迪斯莫克斯共同开发了由一层涂层和维持植物光合作用的基本化学物质——锰组成的系统。该系统可模拟植物的光合作用，为利用阳光将水分解成氢和氧开辟了一条新途径。此项技术突破有望革新制氢工艺，从而利用太阳光大规模生产清洁的绿色能源——氢气。

光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是赖以生存的关键，而在面临能源和环境瓶颈的今天，这一过程中的能量转换也为人类提供了极其重要的启示。由于自然光谱的吸收率等原因，光合作用在多数植物中效率非常低，通常均低于0.5%。在人工设计的系统中，研发人员借鉴其光反应与电子传递的机制，并提高通量转化的效率，使其适于太阳能的转化利用。

事实上，在上述模拟光合作用的研究取得突破前，微生物制氢的已经成为了研究热点。自然界已发现有类似甲烷菌的制氢菌，但其菌种繁育不如甲烷菌那样简单。若能建立合适的菌种群落，制造氢气也会像制造沼气一样得到大规模应用。

模拟光合作用制氢或者微生物制氢过程正是仿生学“向自然学习”的思想典型。20世纪40年代以来，工程技术领域中出现了调节理论，人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比，认识到二者包含自动调节系统。此后，科学研究和生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来，成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁，奠定了生物与机器在控制与通信方面进行类比的科学理论基础。之后，斯蒂尔提出了仿生学的研究理念。自上个世纪末以来，人们认识到大约35亿年的生命演化与协同进化过程优化了生物体宏观与微观结构，形态与功能具有无可比拟的优越性，仿生学也因此显示出巨大的生命力。

从研究模式上看，仿生学作为模仿生物建造技术装置的科学，是一门新兴的边缘科学，研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和设备，创造新技术。模拟光合作用制氢过程的例子很好地诠释了这一点。在植物的光合作用中，锰参与几种酶系统。由于锰可以在正二价和正四价两种化合价之间转换，所以主要在氧化还原和电子转移中发挥作用。这一思想为斯皮西亚等人的研究提供了启发。他们在确定锰簇是植物利用水、二氧化碳和阳光制造碳水化合物和氧气的中心枢纽后，开发出这种人造锰簇，并利用这些分子的能力将水分解成氢和氧。研究者将一层质子导体――Nafion薄膜覆盖在一个电极上，形成一层仅几微米厚的聚合体膜，这层聚合体膜充当锰簇的载体。锰在正常情况下不溶解于水，但可以和Nafion薄膜小孔中的催化剂结合，形成不易分解的稳定结构，当水到达此催化剂时，在阳光的照射下便发生氧化反应。

在能源和环境领域，这一技术显示了仿生技术的巨大应用潜力和价值。初步测试表明，此催化剂连续使用3天之后还有活性，由此分解出来的氢气和氧气可以在燃料电池中结合成水，产生电力供住宅和电动车全天24小时使用，且不排放碳而是排放水。虽然此系统的效率还有待提高，但研究者可以不断地从自然界中学习，使之更为高效，从而使氢这一能效高且没有碳排放的绿色清洁能源为未来社会所用。

生物体的电子传递过程在能源仿生技术上的另一重点研究领域是生物发光。生物发光和光合作用都是“电子传递”现象，而从某个角度上看，生物发光可以看作是光合作用的逆反应。光合作用是绿色植物吸取环境中的二氧化碳和水分，在叶绿体中，利用太阳光能合成碳水化合物，同时放出氧气。光能从水分子上释放电子，并把电子加到二氧化碳上，产生碳水化合物，这是一个还原过程。光合作用把光能转变成化学能，而生物发光是电子从荧光素分子上脱下来和氧化合，形成水，产生光。生物发光是将化学能转变成光能。生物光作为冷光源，具有效能高、效率大、不发热、不产生其它辐射、不会燃烧、不产生磁场等特点，对于手术室、实验室、易燃物品库房、矿井以及水下作业等，都是一种安全可靠的理想照明光源。通过模仿发光生物把一种形式的能量转换成另一种形式的能量，制造冷光板使其不需要复杂的电路和电力，就能白天吸收太阳光，晚上再将光能释放。人们先是从发光生物中分离出纯荧光素，后来又分离出荧光酶。现在已能人工合成荧光素，这就使人类模仿生物发光，创造一种新的高效光源——冷光源成为可能。然而，人们对于萤火虫等发光机制的研究仍然有待深入。如果将光合作用和生物发光机制在仿生学框架下同时加以研究，就有可能在能量利用的电子传递现象中取得进展，从而实现能源利用更为巨大的进步。

从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力，在能源技术上的应用潜力也极其巨大，有助于破解人们所面临的能源瓶颈问题，同时解决石化能源等所带来的环境问题。

什么是仿生眼，会给人类生活带来怎样的改变？

仿生眼，是通过仿造生物眼球，把摄像机捕抓的画面通过转化为电极信号的方式传递给神经的人造眼珠。它们可以让一些失明的人重获光明，也可以让一些视力障碍的人恢复视力，甚至有一些比较特殊工作的人，还可以通过特殊的仿生眼更好地开展工作。

部分盲人所以看不见，是由于眼球出了问题，如果能够得到别人的眼球捐赠的话，通过手术的方式也能够重见光明。但是我们的遗体捐赠目前还不是非常普遍，所以能够通过这种方式重见光明的盲人还比较少。但是有仿生眼的出现，则让他们重见光明变得更有可能。机械化的仿生眼，不需要长期的等待，只要有足够的资金支持就可以了。

近视、老花是我们日常生活中非常常见的视力障碍。而随着电子设备的发展，整天玩手机等电子设备的人视力越来越差，甚至就连小学生也非常普遍地出现了视力不好的“四眼仔”……而佩戴眼镜这样的方式，很多时候并无助于视力的恢复……反而会随着时间的转移而不断加深。

如果改用仿生眼，则可以让我们的视力自动进行调整，想看的东西可以自动调整焦距，视物距离会变得更加远，看东西也更加清晰……甚至还可能在夜里昏暗环境也能清晰视物……

长期从事电焊工作的人，由于电焊光强烈的刺激，对眼睛造成了很大的影响，视力也非常容易出现问题。如果有了仿生眼，就可以像相机镜头一样，补充对应的保护措施，即可避免受到视力伤害。而一些需要从事视频侦查工作的从业者，也可以借助仿生眼，更好更快地对视频信息进行记录、查看、检索……

当然，如果是警察的话，还可以结合数据库的信息，一起看看到的人物进行搜索，非常快速地进行身份确认。

第二代仿生眼！唯一一个可植入的人工视觉系统，帮助盲人重见光明

全世界有3600万人因疾病或受伤而失明。直到10年前，这些患者还几乎没有机会重见光明。2009年曼彻斯特大学的医生在一名患者身上植入了第一个Argus II仿生眼。现在10年过去了，Argus II仿生眼的制造者正在试验一种更先进的人工视觉系统，它会直接植入病人大脑。

它被称为猎户座视觉皮质假体系统，是由一家名为第二视觉的公司开发的。就像之前Argus II仿生眼一样, 猎户座假体系统通过安装在一副眼镜上的相机来捕获图像, 之后视频处理单元会将摄像机所看到的转化为佩戴者可以编译的电脉冲，植入物接收电脉冲后刺激使用者的大脑创建一个感知图像。Argus II仿生眼使用的植入物固定在病人的视神经上，而猎户座系统的植入物直接位于大脑本身。

这种植入物是通过在患者头部后部枕叶上方的小开颅术安装的，通过把电极阵列放置在大脑的两个半球之间的位置，正对着视觉皮层。然后把电子设备钻入入颅骨，就在开颅手术位置的旁边。电子封装中包含一个小的传输线圈，可以无线接收来自系统外部部件的数据和能量。

整个手术安装过程需要病人住院一晚，然后需要三到四周的恢复期，之后就可以开机了。这个时候，用户戴上眼镜，把各种组件连接起来，这时候他们开始看到一些电子设备上的光点及光斑，但接下来还有很多工作要做。

光幻视是植入物的60个电极阵列电刺激视觉皮层的结果，每一个电极都需要单独调整，以提供尽可能清晰可辨的光点。这个过程需要几周到几个月的调整来完善。下一步是建立一个空间映射，确保每个电极都在为病人大脑中的成像点提供能量。

每一个电极都要反复试验，研究人员希望病人训练至不需要移动眼睛，自然形成看到光线时的反应。而当病人移动眼睛时，大脑预计将会看到一些不同的东西，而事实上，他们不会看到任何不同的东西，只是因为他们通过摄像机把所有的东西都记录下来。所以病人必须被教会眼睛要向前看，就像照相机一样。

一旦映射完成并被确认准确，这些数据就会被输入到一个算法中，这个算法可以用来将视频转换成刺激参数，从而复制相机所看到的东西，然后只需再花几个月的时间来适应这个系统，并学习如何最有效地使用它。

关于猎户座假体系统的早期可行性研究正在加州大学洛杉矶分校医学中心和休斯敦贝勒医学院进行，以确保该技术在更大规模的试验中安全可靠。作为第一个也是唯一一个可植入的人工视觉系统，该研究属于美国FDA的突破性研究设施的一部分，但是获得FDA的批准仍然有漫长的道路。

最令人兴奋的是第二视觉团队的下一步计划。除了在阵列中填充越来越多的电极以提高图像保真度外，他们还将电极数量扩展到150到200个通道之间。

该团队还在研究人脸和物体识别功能。由于用户所看到的图像仍然是绝对低保真度的，结合这些技术将使系统能够帮助佩戴者，而不仅仅是刺激他们的大脑。当物品进入相机视野时，这个物体识别软件会在他们的耳朵里告诉他们，你眼前的东西是什么。

接下来他们还有更高的目标，就是研究如何将一个热摄像机集成到其系统中，从而使用户能够在红外线下看到东西，就像大自然中敏锐的捕食者一样。

哪儿有最新科技成果文章？

1.日本研制出防瞌睡座椅提高驾驶安全性
极度疲劳往往会使人在驾驶过程中打瞌睡，而这会大大增加交通事故的发生率。东京大学的一个研究小组最近研制出一种防瞌睡座椅，有助于解决这一问题。
据当地媒体报道，研究人员在观察人打瞌睡时的血液流动和呼吸状态后发现，在进入瞌睡状态前，人体末梢血管的血流量会出现一定程度的增加。这种座椅利用安装在靠背内的电磁传感器和压力传感器可从驾驶者背部测出这一变化，并发出警告。
研究人员指出，与打瞌睡前人体发生变化类似，人在饮酒后血液的流动和呼吸状态等也会出现某些变化。今后研究小组还准备根据这一原理，开发在饮酒状态下无法发动汽车的“防酒后驾车座椅”。

2.美国科学家制出“仿生眼”助盲人恢复视力
美国科学家说，将可在两年内提供“仿生眼睛”植入手术，帮助数百万盲人恢复视力。
美国的研究人员已获准于两年内在五个治疗中心为50到70名病人安装这种“仿生眼睛”。
以希腊神话中百眼巨人阿古斯（Agrus）命名的“阿古斯二型”系统利用一个安装在眼镜上的照相机，把视觉信号传送到眼睛里的电极。
以前接受不够先进的人工视网膜移植手术的病人能够“看到” 光线、影像和物体的运动。但图像不够清晰。
一名失明者在1999年接受了这种手术，现在他上街时能够避开长的或较低的树枝，但看人时好像是看到一团黑影。
不过美国加州大学的科学家说，他们研造的“仿生眼睛”尝试从相机取得实时的图像，然后把它们变成微弱的电信号，输送到一个接收器后，在通过电极，刺激视网膜的视觉神经向大脑发出信号，让失明者能够“看到”景物。
这种新的装置比传统的人工视网膜更细小，但拥有多达60个电极，使解像度更高。而且面积只有一平方毫米，植入手术也更容易。

3.全球首台量子计算机在加拿大诞生
加拿大温哥华D-Wave公司首席技术官基尼-罗斯宣布，该公司已成功研制出一个具有16量子比特的“猎户星座”量子计算机。他透露，D-Wave公司将于2007年2月13日和2月15日分别在美国加州和加拿大温哥华展示他们的量子计算机。
量子计算机是物理学家费曼在19世纪80年代提出的概念。量子位可以同时表示1和0，因此能够携带更多的信息，更快地解决问题。量子计算机希望利用量子现象来增加计算的速度，最大特点是N个储存位可以同时储存2N个数据。不过量子计算机最大的问题是只要受到任何微干扰，例如过热，马上会关机。目前为止，量子计算机在实验室中只能成功运算数千次，稳定度仍然不够。D-Wave公司目前设计的16量子比特计算机是用贵金属铌制成，并且须在零下273K下运行。
有专家认为，D-Wave公司的尝试只是一种原理性检验，虽很有必要，却必须首先纠正量子计算中不可避免的错误，否则这个量子计算机将无法运行。许多科学家认为，量子计算机广泛商业化还需20年时间。但罗斯认为，2008年他们将制成世界第一台具有1000个量子比特的量子计算机。

4.美国科学家制出“仿生眼”助盲人恢复视力
美国科学家说，将可在两年内提供“仿生眼睛”植入手术，帮助数百万盲人恢复视力。
美国的研究人员已获准于两年内在五个治疗中心为50到70名病人安装这种“仿生眼睛”。
以希腊神话中百眼巨人阿古斯（Agrus）命名的“阿古斯二型”系统利用一个安装在眼镜上的照相机，把视觉信号传送到眼睛里的电极。
以前接受不够先进的人工视网膜移植手术的病人能够“看到” 光线、影像和物体的运动。但图像不够清晰。
一名失明者在1999年接受了这种手术，现在他上街时能够避开长的或较低的树枝，但看人时好像是看到一团黑影。
不过美国加州大学的科学家说，他们研造的“仿生眼睛”尝试从相机取得实时的图像，然后把它们变成微弱的电信号，输送到一个接收器后，在通过电极，刺激视网膜的视觉神经向大脑发出信号，让失明者能够“看到”景物。
这种新的装置比传统的人工视网膜更细小，但拥有多达60个电极，使解像度更高。而且面积只有一平方毫米，植入手术也更容易。

5.消失模铸造技术
项目内容及应用领域：消失模铸造技术是将泡沫塑料(EPS)制成的模型埋入无粘结剂的干砂中造型，采用微震加负压紧实，在没有芯子甚至没有冒口的情况下浇入液态金属，在浇铸和凝固过程中继续保持一定的负压使泡沫塑料气化继而被金属取代形成铸件的一种新型铸造方法.它具有一次成型，尺寸精度高; 大大改善铸造车间的环境条件，易实现无污染生产;铸件形状、结构不受限制，为制品设计提供了充分的自由度; 生产制造成本低，设备投资小等优点。

6.纳米二氧化硅
纳米二氧化硅微粉技术在我国是一项刚刚起步的新兴技术。由于其表面积大，吸附力强，表面能大，因此该微粉具有特殊的性能，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。世界发达国家对超细材料的研究工作十分活跃，并已取得了一定的成果。
它以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在橡胶、涂料、医药、造纸、日化等诸多领域得到广泛应用，并为其相关工业领域的发展提供了新材料基础和技术保证，享有“工业味精”、“材料科学的原点”之美誉。自问世以来，已成为当今世界材料学中最能适应时代要求和发展最快的品种之一。发达国家已经把高功能、高附加值的精细无机材料作为本世纪新材料的重点加以发展。
原本国内生产氧化硅微粉采用气相法工艺路线，所用原料以SiCl4 ，Si（CH3）n为主，因来源紧张，价格昂贵，收率低，使得其产品的生产成本较高，而普通沉淀法虽采用廉价原料，但也只能生产颗粒较大的微粉，其产品粒径在30—45μm之间，达不到超精微粉的级别，难以满足市场的需要。但现在，一些公司，通过分析研究，提出一种新的工艺路线---化学直接合成法。在这个方法中，采用的为改良沉淀法，即在沉淀过程中，通过分散剂控制粒子生长的方法控制关键的反应阶段及操作数据来生产氧化硅微粉。
纳米二氧化硅微粉能使材料和产品改善并提高其固有的物理属性和化学性能。几乎所有行业提高产品质量指标所需要的。目前国内外大量生产的是粒径较大的二氧化硅。因此本项目的研制成功，填补国内空白，为我国生产纳米二氧化硅产品开辟了一条新路，对我国新材料行业的发展具有十分重要的作用。

7.空气汽车
空气汽车最高时速已达100-120公里，加速能力0-50公里为6秒，行车距离230公里或12小时，在加气站添加“燃料”只需2分钟，售价大约在6-7万港币。现在，MDI已设立设计工作室，利用电脑，改进外观设计，适应时尚需求。
空气发动机是空气汽车的关键部件，从外观上看近似一种直列的小型内燃机，它有曲轴、活塞、阀门、进气管，排气管、定时皮带等等，但它具有自己独特的运行规则