角膜位于眼睛的前部，是一種具有光聚焦功能的透明結構，可以保護虹膜和晶狀體不受外來物質的損傷。角膜是人體神經最密集的部位，因此對外來污染物非常敏感，觸摸角膜會引起不自主的眼瞼閉合反射（角膜反射）。然而，角膜疾病能夠致盲，目前，全世界有超過1000萬人患有雙側角膜盲。同種異體供體角膜移植（即角膜移植）是治療這種疾病最常見的醫(yī)療手段，但由于供體角膜的稀缺，只有約七十分之一的患者可以接受角膜移植手術，目前有1270萬患者仍在等待中。

為了解決這一問題，符合光學和透明度要求的人工角膜替代物應運而生。然而，雖然現(xiàn)有的人工角膜可以承擔天然角膜的部分功能，例如保護和光折射等，但其無法重建觸覺，因此也就無法實現(xiàn)角膜反射。因此，嘗試開發(fā)一種具有觸覺，甚至具有感官擴展和交互功能的“智能”人工角膜，對于角膜盲患者的視力恢復具有重要意義。此外，這些功能必須通過內置的“隱形”電子器件來實現(xiàn)，以達到天然角膜的高透明度和低霧度。

據麥姆斯咨詢報道，為了填補以上空白，近期，來自南開大學的研究人員開發(fā)了一種人工智能角膜，其具有與人類天然角膜一樣的保護、觸覺感知和光折射功能，并具有感官擴展（拓寬現(xiàn)有的感官體驗）和交互功能。相關研究成果以“An artificially-intelligent cornea with tactile sensation enables sensory expansion and interaction”為題發(fā)表在nature communications期刊上。

具體而言，研究人員首先構建了一個人工角膜反射弧，其由一個振動傳感器-振蕩電路，一個氧化鋅錫（ZTO）人工突觸（AS），一個放大器電路和一對電致變色器件構成。其中，振動傳感器-振蕩電路作為感受器將機械刺激轉換為電脈沖；氧化鋅錫人工突觸作為處理核心，用于傳遞和整合信息；放大器電路用于輸出所需電壓以操作執(zhí)行器；電致變色器件充當執(zhí)行器，對突觸后電流做出響應。

圖1 人工角膜反射弧的構建原理和應用

在人體中，眼輪匝肌的收縮會降低進入眼睛的光線強度，因此，研究人員利用可以由淺藍色變?yōu)樯钏{色并同步降低透光率的電致變色器件作為執(zhí)行器來模擬眼輪匝肌的收縮。利用以上方法構建的人工角膜反射弧與天然角膜一樣具有保護、觸覺感知和光折射等功能，還可以模擬眼輪匝肌的收縮。其比人體天然角膜和不能感知觸覺刺激的傳統(tǒng)人工角膜更加智能。因此，研究人員將這種人工角膜反射弧命名為“具有觸覺的人工智能角膜”。

圖2 具有觸覺的人工智能角膜

人體天然角膜不具備光感知和隨光強度變化而調節(jié)的功能。當光通過角膜進入眼睛時，會被視網膜上的光感受器（視桿細胞和視錐細胞）檢測到，然后光感受器將光信號轉換為動作電位，并通過視神經傳遞到大腦皮層。為了增加這種具有觸覺的人工智能角膜的智能度，研究人員通過利用光傳感器-振蕩電路代替原有的振動傳感器-振蕩電路賦予了其光感知能力，從而使得這種人工智能角膜具備了感官擴展的功能，獲得了對外界光刺激的感知和響應能力。

圖3 人工智能角膜的感官擴展和交互功能

最后，作為概念驗證，研究人員給機器人裝配了人工智能角膜。驗證結果顯示，在弱光下，這種人工智能角膜呈高透光率的淺藍色；在強光下，其會變?yōu)榈屯腹饴实纳钏{色。總而言之，該研究開發(fā)的人工智能角膜與人類神經系統(tǒng)在邏輯上兼容，具備人類天然角膜的保護、觸覺感知和光折射功能，并擴展了人類天然角膜不具備的光感知和交互功能。

展望未來，該研究開發(fā)的人工智能角膜在生物相容性、穩(wěn)定性、尺寸和集成度等方面還需要進行進一步的優(yōu)化。經過開發(fā)和優(yōu)化，這種人工智能角膜可以移植到等待醫(yī)療干預的角膜盲患者體中，從而緩解供體角膜的短缺。因此，優(yōu)化后的成熟人工智能角膜在神經修復和視覺康復方面具有潛在的應用前景。

審核編輯：劉清