導語
近日，《Nature Communications》上的最新研究展示了一種人工智能角膜。這種人工智能角膜，它具有像原生人類角膜一樣的保護、觸覺感知和光折射功能，還具有感官擴展（拓寬現(xiàn)有的感官體驗）和交互功能。通過由傳感器振蕩電路、氧化鋅錫（ZTO）人工突觸（AS）和電致變色器件組成的反射弧重建角膜的觸覺敏感度，實現(xiàn)機械和光信息編碼、信息處理和透射光的調(diào)節(jié)。這項工作提供了一種調(diào)整突觸可塑性和設計視覺神經(jīng)假體的新策略，可用于開發(fā)強大的神經(jīng)形態(tài)電子學和視覺神經(jīng)假體，對神經(jīng)形態(tài)電子學的發(fā)展和視覺恢復具有重要意義。
1、研究背景
角膜位于眼睛的前部，是一種透明結(jié)構(gòu)，可提供聚焦能力并保護虹膜和晶狀體免受異物侵害。它是身體神經(jīng)最密集的部分對外來污染物很敏感，觸摸角膜會引起不自覺地閉眼反射（角膜反射）。然而，角膜疾病可導致失明，全世界有超過1000萬人患有雙側(cè)角膜失明。最常見的醫(yī)療解決方案是供體同種異體角膜移植（即角膜移植術(shù)），但由于捐獻角膜的稀缺，它只能用于70名患者中的1人 ,且有1270萬患者正在等待。
為了解決這種短缺問題，人們開發(fā)出了符合光學和透明度要求的人工角膜替代品。例如，波士頓人工角膜 (Kpro) ，Aurolab Kpro ，MICOF Kpro。但是現(xiàn)有的人工角膜雖然有人類天然角膜的部分功能，如保護和光折射等，但它們不能重建觸覺，不能實現(xiàn)角膜反射。因此，開發(fā)一種具有觸覺、甚至具有感覺擴展和交互功能的“更智能”的人工角膜，對于恢復角膜失明患者的視力具有重要意義。此外，這些功能必須通過“隱形”內(nèi)置電子器件來實現(xiàn)，以實現(xiàn)天然角膜的高透明度和低霧度。
2、研究概述
人工角膜反射弧概述
為了在神經(jīng)通路層面構(gòu)建人工角膜反射弧，該系統(tǒng)由三個核心組件組成：傳感器振蕩電路作為將外部刺激轉(zhuǎn)換為脈沖尖峰的受體，ZTO AS作為傳輸和集成信息的處理核心，以及電致變色器件作為響應突觸后電流的執(zhí)行器。
圖1 角膜反射和相應的人工角膜反射弧的示意圖
圖片來源于論文
具有可調(diào)諧晶體結(jié)構(gòu)的數(shù)字對準ZTO光纖
該研究為了模仿生物突觸，開發(fā)了離子凝膠門控突觸晶體管。它們由源極和漏極、數(shù)字排列的ZTO纖維通道和使用聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物 (PVDF-HFP) 的電解質(zhì)組成。
該研究對使用不同Zn:Sn摩爾比（3:7、1:1 和 7:3）的ZTO AS進行了纖維結(jié)構(gòu)，光學性能，化學性能及相應的突出性能進行了評估。ZTO纖維除了不含重金屬、無毒、成本低廉等優(yōu)點外，其綜合光學性能好，證明了其在透明電子產(chǎn)品中的適用性。
圖2 a:生物突觸示意圖；b:使用ZTO光纖維的AS
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具有可調(diào)突觸可塑性的ZTO纖維人工突觸
配對脈沖促進（PPF）是生物系統(tǒng)中的典型突觸特征。在PPF中，人工興奮性突觸后電流（aEPSC）的振幅在兩個連續(xù)突觸前尖峰的第二個之后比在第一個之后更高。通過施加一對由不同時間間隔分隔的尖峰（2V，50ms）來量化三個ZTO AS的PPF。研究關于突觸可塑性的實驗結(jié)果表明，通過調(diào)整Zn:Sn摩爾比，可以輕松地在短期可塑性（STP）和長期可塑性（LTP）之間調(diào)節(jié)塑性。生物突觸可以充當過濾器來處理動態(tài)實時信息。該研究驗證了三個ZTO AS的高通濾波特性，結(jié)果表明該器件具有高通濾波特性。尖峰持續(xù)時間依賴性可塑性（SDDP）和尖峰電壓依賴性可塑性（SVDP）是突觸學習和記憶中的基本規(guī)則。三個ZTO AS的SDDP是通過調(diào)整突觸前尖峰的持續(xù)時間獲得的。重復刺激后，ZTO-3:7 AS在強烈刺激后保留了aEPSC，因此表現(xiàn)出LTP。然而，ZTO-7:3和ZTO-1:1AS的aEPSC在短時間內(nèi)衰減到初始值，因此它們僅具有STP。該研究還展示了ZTO纖維AS在加密通信和巴甫洛夫聯(lián)想學習中的潛在應用。因為該研究的突觸特性表現(xiàn)出優(yōu)異的抗彎曲性（彎曲2000次后變化<7%），因此它在柔性電子產(chǎn)品中也具有潛在的應用。
圖3 刺激下突觸信號傳導的示意圖：生物突觸 ( a ) 和 ZTO 纖維 AS ( b )
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具有觸覺的人工智能角膜
在神經(jīng)學檢查中，通過使用棉簽觸摸角膜來誘發(fā)角膜反射。角膜反射檢查的價值在于確認神經(jīng)通路的完整性。感覺信息通過三叉神經(jīng)傳輸?shù)饺嫔窠?jīng)脊核。然后，信息從三叉神經(jīng)脊核通過它們之間的神經(jīng)傳遞到雙側(cè)面核。最后，傳出信息通過面神經(jīng)傳輸至雙側(cè)眼輪匝肌（作為執(zhí)行器）并誘導其收縮。該研究構(gòu)建了一個人工角膜反射弧，其中包含振動傳感器振蕩電路、ZTO-3：7 AS、放大器電路和一對電致變色器件。振動傳感器-振蕩電路作為接收器將機械刺激轉(zhuǎn)換為電脈沖，ZTO-3:7 AS作為處理核心來傳輸和集成信息，放大器電路輸出所需的電壓來操作執(zhí)行器，以及電致變色裝置充當響應突觸后電流的執(zhí)行器。研究結(jié)果表明人工角膜反射弧構(gòu)建成功，可用于模擬神經(jīng)檢查。人工角膜反射弧具有像天然人類角膜一樣的保護、觸覺感知和光折射功能，并且還可以模仿眼輪匝肌的收縮。它比人類原生角膜和無法感知觸覺刺激的傳統(tǒng)人造角膜更加智能。因此，該研究將人工角膜反射弧描述為具有觸覺的人工智能角膜。
圖4 a：角膜反射檢查示意圖（左）和角膜反射過程（右）。b：機械刺激引起的角膜反射示意圖。c：響應機械刺激的人工角膜反射弧的配置。
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人工智能角膜的感覺擴展和交互功能
為了提高具有觸覺的人工智能角膜的智能性，該研究通過使用光傳感器振蕩電路來取代振動傳感器振蕩電路，賦予其光感知能力。人工智能角膜實現(xiàn)了感覺拓展，獲得了感知和響應外界光刺激的能力。研究結(jié)果表明，電致變色執(zhí)行器成功地模擬了人眼的打開和關閉狀態(tài)，可以實現(xiàn)透射光的調(diào)節(jié)和對人眼的保護。此外，電致變色致動器的透射率可以適應環(huán)境中光強度的變化。透光率的光適應表明，人工智能角膜可以與環(huán)境相互作用，為眼睛在不斷變化的環(huán)境中提供額外的自適應保護。因此，人工智能角膜同時實現(xiàn)了感官擴展和交互功能。
作為概念驗證，該研究還使用了機器人配備了人工智能角膜。人工智能角膜在邏輯上與人類神經(jīng)系統(tǒng)兼容，復制了人類原生角膜的保護、觸覺感知和光折射功能，并擴展了光感知和交互功能。未來新型人工智能角膜的發(fā)展趨勢將朝著生物相容性、穩(wěn)定性、小型化、高集成化方向發(fā)展。經(jīng)過開發(fā)和優(yōu)化，人工智能角膜可能適合移植到角膜失明并等待醫(yī)療干預的個體中，從而緩解供體角膜的短缺。成熟的人工智能角膜在神經(jīng)修復和視力康復方面具有潛在的應用前景。
圖5 a:人眼的光感知示意圖。b:配備人工智能角膜的機器人示意圖。c:響應光刺激的人工角膜反射弧的配置。d:光傳感器振蕩電路的輸出尖峰頻率與照度的關系。e:光刺激下人工智能角膜各部分信號輸出隨時間變化的統(tǒng)計曲線。f , g:電致變色執(zhí)行器的數(shù)字圖像以及弱光( f) 和亮光 ( g )下人眼的相應示意圖。h:配備人工智能角膜的機器人的數(shù)字圖像。
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該研究開發(fā)了一種人工智能角膜，復制了人類原生角膜的保護、觸覺感知、光折射等功能，并擴展了光感知和交互功能。為了實現(xiàn)這些功能，通過集成傳感器振蕩電路、ZTO AS和電致變色器件，構(gòu)建了能夠?qū)崿F(xiàn)機械和光信息編碼、信息處理和透射光調(diào)節(jié)的人工角膜反射弧。無毒、低成本的無重金屬ZTO被制成數(shù)字排列的長且連續(xù)的織物圖案，具有高透光率（99.89％）和低霧度（0.36％），以確保光學性能人工突觸。通過調(diào)節(jié)ZTO纖維的晶相結(jié)構(gòu)，可以輕松實現(xiàn)短期可塑性和長期可塑性之間的可調(diào)節(jié)突觸可塑性，并進一步用于加密通信和聯(lián)想學習。未來，人工智能角膜的生物相容性、穩(wěn)定性、尺寸和集成度必須得到優(yōu)化。成熟的人工智能角膜可能在神經(jīng)修復和視力恢復方面有應用。
參考文獻：Qu, S., Sun, L., Zhang, S. et al. An artificially-intelligent cornea with tactile sensation enables sensory expansion and interaction. Nat Commun 14, 7181 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42240-3
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