還記得

經(jīng)典科幻劇《無敵金剛》中

那個擁有超能力的仿生人嗎？

他的仿生眼不僅能讓他看清遠(yuǎn)處的物體

還擁有紅外視力

這個在上世紀(jì)70年代看似天方夜譚的科幻設(shè)定

如今正在中國科學(xué)家的實驗室里變?yōu)楝F(xiàn)實

《無敵金剛》中的“仿生眼”

2025年6月6日凌晨，復(fù)旦大學(xué)和中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的聯(lián)合團(tuán)隊在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一項突破性成果：

他們研發(fā)的“超視覺”假體，不僅讓失明的實驗動物重獲光明，還賦予了它們感知紅外光的神奇能力。

這項技術(shù)是如何實現(xiàn)的？

它又將如何改變我們對視覺修復(fù)的認(rèn)知？

蝌蚪五線譜連線采訪了研究團(tuán)隊的王水源研究員，讓我們一起走近“仿生眼”的神奇世界。

視覺修復(fù)之路：用植入體代替感光細(xì)胞

要理解這項技術(shù)的革命性意義，我們首先需要了解人類視覺系統(tǒng)的工作原理。

在我們眼睛的視網(wǎng)膜上分布著數(shù)百萬個感光細(xì)胞，它們就像微型的光電轉(zhuǎn)換器，將進(jìn)入眼睛的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再通過視神經(jīng)傳遞給大腦，最終形成我們所看到的圖像。

三種視網(wǎng)膜感光細(xì)胞位置略圖（圖片來源：維基百科）

然而，當(dāng)視網(wǎng)膜色素變性、黃斑變性等疾病發(fā)生時，這些感光細(xì)胞會逐漸死亡，使患者失明。

據(jù)統(tǒng)計，全球有超過2億人正遭受著光感受器退化的痛苦，他們的世界陷入了永恒的黑暗。

傳統(tǒng)的視覺修復(fù)技術(shù)類似“眼球穿線手術(shù)”，通常需要通過特制電線穿過眼球，在視網(wǎng)膜上植入電極陣列，依靠外部供電來刺激視網(wǎng)膜上殘存的神經(jīng)元。

簡單來說，就是用人工電極來代替感光細(xì)胞工作。

例如全球首個獲美國FDA和歐洲CE認(rèn)證的“仿生眼”設(shè)備Argus II，這套系統(tǒng)需要患者佩戴特殊眼鏡，當(dāng)眼鏡上的攝像頭捕獲圖像后，信號處理器會將圖像信息轉(zhuǎn)化為電信號，通過植入的電極陣列刺激視網(wǎng)膜，幫助患者感知到術(shù)前無法識別的光點和簡單形狀。

Argus II（圖片來源：American Academy of Ophthalmology）

顯然，這種侵入式的治療手段存在著明顯的局限性：

創(chuàng)傷較大、視覺效果粗糙、需要隨身攜帶笨重的外接設(shè)備，這些都給患者的日常生活帶來了諸多不便。

因此，中國科學(xué)家們決定另辟蹊徑。

復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院的周鵬/王水源團(tuán)隊、腦科學(xué)研究院的張嘉漪/顏彪團(tuán)隊，以及中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的胡偉達(dá)團(tuán)隊，組成了一個跨學(xué)科的聯(lián)合研究團(tuán)隊。

他們將目光投向了一種特殊的材料——碲（Tellurium）。

鉀鹽上的碲晶體（圖片來源：Christian Rewitzer）

碲是一種相對稀有的半金屬元素，在元素周期表中位于硫和硒的下方。

雖然在日常生活中并不常見，但它卻擁有著獨特的光電特性：

能有效捕獲包括紅外輻射在內(nèi)的光線，且無需額外設(shè)備即可將紅外光轉(zhuǎn)化為電信號，完美復(fù)現(xiàn)了健康視網(wǎng)膜中光感受器細(xì)胞的工作機(jī)制。

材料創(chuàng)新突破：碲納米線網(wǎng)絡(luò)的神奇力量

TeNWNs假體實物樣品（圖片來源：復(fù)旦大學(xué)公眾號）

正是基于碲元素的這一獨特稟賦，研究團(tuán)隊開啟了一場微觀世界的“編織”之旅。

他們制備出了厚度僅為150納米的碲納米線（相當(dāng)于人類頭發(fā)絲直徑的千分之一），并將這些納米線編織成了一個精密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即“碲納米線網(wǎng)絡(luò)”（TeNWNs），用以取代視網(wǎng)膜上凋亡的感光細(xì)胞。

王水源研究員對蝌蚪君表示，研究團(tuán)隊主要從材料與器件的仿生設(shè)計、神經(jīng)刺激的時空精準(zhǔn)性及多層次神經(jīng)功能驗證三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行把控，使得TeNWNs假體產(chǎn)生的電信號能夠被視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞準(zhǔn)確接收并轉(zhuǎn)化為視覺感知。

由于材料特殊性，當(dāng)TeNWNs假體接收到光信號后，會自發(fā)產(chǎn)生高密度的光電流，達(dá)到不同維度納米材料下的最高光電流水平，能夠更有效地激活視網(wǎng)膜上殘存的神經(jīng)細(xì)胞，從而產(chǎn)生更清晰、更穩(wěn)定的視覺信號。

同時，它就像一個小型的太陽能電池，無需任何供電設(shè)備，只要有光就能自主運行。

TeNWNs修復(fù)和增強(qiáng)盲人視覺示意圖及作用機(jī)制（圖片來源：復(fù)旦大學(xué)公眾號）

更令人興奮的是，這種材料的光譜響應(yīng)范圍極其廣泛，從470納米的藍(lán)光一直延伸到1550納米的近紅外二區(qū)，覆蓋了從可見光到紅外光的范圍。

這是目前國際上光譜覆蓋最寬的視覺重建技術(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了人類天然視覺系統(tǒng)380-780納米的感知范圍。

王水源告訴蝌蚪君：“讓使用者能夠感知紅外光信號，正是“超視覺”假體設(shè)計階段就明確預(yù)期的核心功能之一?！?/p>

研究團(tuán)隊清晰地認(rèn)識到，拓展人眼可見光譜范圍（特別是向紅外波段延伸）具有巨大的潛在實用價值，而夜間或低光照環(huán)境的應(yīng)用正是其重點考量的場景之一。

讓假體使用者具備紅外視覺能力，可以顯著提升他們在這些挑戰(zhàn)性環(huán)境下的空間感知、避障和導(dǎo)航能力，這對于行動輔助、夜間救援等場景意義重大。

TeNWNs光電流密度和光感重建范圍（圖片來源：復(fù)旦大學(xué)公眾號）

相比之下，傳統(tǒng)的人工視網(wǎng)膜設(shè)備厚度通常在微米級別，而新開發(fā)的碲納米線假體厚度降低了10倍以上。

這種超薄的設(shè)計不僅減少了植入時的創(chuàng)傷，也大大提高了設(shè)備與生物組織的兼容性。

嚴(yán)格驗證：從實驗室到臨床

任何一項醫(yī)療技術(shù)從實驗室走向臨床應(yīng)用，都必須經(jīng)過嚴(yán)格的驗證過程。

TeNWNs假體除了順利通過細(xì)胞離體實驗驗證外，還在動物實驗中驗證了其有效性。

研究團(tuán)隊先后對失明小鼠及食蟹猴開展了實驗。

受試動物不僅瞳孔對光反射顯著恢復(fù)，其視覺皮層（大腦視覺中樞）也對光線產(chǎn)生明確反應(yīng)。

在圖形識別測試中，TeNWNs假體成功激活了失明小鼠視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞（RGC）的空間感受野，表現(xiàn)幾乎與正常小鼠無異，表明假體具備重建接近天然的神經(jīng)空間編碼能力。

盲小鼠腦電波圖（圖片來源：復(fù)旦大學(xué)公眾號）

此外，植入TeNWNs假體后，受試小鼠能夠探測到正常小鼠不可見的紅外LED光源，受試食蟹猴也獲得了感知紅外光的能力。

這意味著這項技術(shù)不僅能夠修復(fù)受損的視覺功能，還能夠增強(qiáng)正常的視覺能力，讓使用者擁有超越哺乳動物天然視覺極限的“超視覺”。

安全可靠是走向應(yīng)用的關(guān)鍵。

好消息是，在長達(dá)半年的觀察期里，無論是小鼠還是食蟹猴，它們的身體都很好地接納了這個“新伙伴”，沒有出現(xiàn)不良的排異反應(yīng)，植入體與視神經(jīng)之間的信號傳遞也始終穩(wěn)定可靠，表明這種材料具有良好的長期生物相容性。

2023年5月，同團(tuán)隊第一例人工光感受器植入臨床試驗（圖片來源：復(fù)旦大學(xué)）

盡管目前由于醫(yī)學(xué)倫理的限制，研究暫時不會進(jìn)入到人體試驗階段，但這一技術(shù)的前身——該團(tuán)隊于2023年研發(fā)的“基于二氧化鈦納米線陣列的人工光感受器”已完成多次臨床試驗。

我們期待著，隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化，這項突破性的視覺修復(fù)技術(shù)能夠為失明患者帶來更多復(fù)明的可能。

值得一提的是，中國在全球碲產(chǎn)量中占據(jù)主導(dǎo)地位，為此項技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化提供了得天獨厚的資源優(yōu)勢。

目前，碲主要應(yīng)用于太陽能電池板、半導(dǎo)體和熱電設(shè)備等領(lǐng)域，而神經(jīng)視覺植入體有望進(jìn)一步拓展這一戰(zhàn)略資源的應(yīng)用價值。

腦機(jī)接口新時代：從修復(fù)到增強(qiáng)的技術(shù)革命

這項碲納米線視網(wǎng)膜假體技術(shù)，通過視網(wǎng)膜下微創(chuàng)植入的納米線網(wǎng)絡(luò)，在視神經(jīng)與外部世界之間架起了一座高效橋梁。

這正是廣義腦機(jī)接口技術(shù)（Brain-Computer Interface，BCI） 的突破性實踐——繞開傳統(tǒng)BCI所需的開顱電極植入，以更安全、高效的方式實現(xiàn)了“機(jī)器信號-神經(jīng)反饋”的閉環(huán)。

在全球范圍內(nèi)，視覺恢復(fù)研究也正通過腦機(jī)接口技術(shù)不斷取得進(jìn)展。

例如Elon Musk的腦機(jī)接口公司Neuralink所研發(fā)的“盲視”（Blindsight），旨在通過植入式設(shè)備繞過視神經(jīng)，直接刺激大腦視覺皮層以恢復(fù)盲人基礎(chǔ)視覺功能；又比如香港科技大學(xué)工程學(xué)院團(tuán)隊所研發(fā)的仿生眼EC-Eye，不是用植入物代替感光細(xì)胞，而是嘗試構(gòu)建一整個眼球結(jié)構(gòu)。

Neuralink研發(fā)的“盲視”（圖片來源：Neuralink）

香港科技大學(xué)工程學(xué)院研發(fā)的EC-Eye（圖片來源：香港科技大學(xué)）

視覺修復(fù)技術(shù)的發(fā)展正在為不同類型的視力障礙患者帶來希望。

從視網(wǎng)膜假體到皮層刺激，從部分視力恢復(fù)到多光譜感知，每一項突破都在拓展著人類對視覺重建可能性的認(rèn)知。

與這些方案相比，碲納米線技術(shù)兼具“修復(fù)”與“增強(qiáng)”的功能，其核心優(yōu)勢——寬光譜響應(yīng)、零偏壓自供電、高生物相容性及高效神經(jīng)接口特性——使其在神經(jīng)疾病治療、智能傳感等多個前沿領(lǐng)域具有突破性應(yīng)用潛力。

王水源表示，未來團(tuán)隊也會進(jìn)一步研究探索，以TeNWNs技術(shù)為平臺，延伸出更多的領(lǐng)域應(yīng)用。

這項來自中國科學(xué)家的突破性研究，將納米技術(shù)、神經(jīng)科學(xué)與材料科學(xué)完美融合，為我們展示了科學(xué)技術(shù)改變?nèi)祟惷\的無限可能。

正如研究團(tuán)隊所展望的：“如果說腦探針的方式還是在間接探索大腦，那我們未來的目標(biāo)，就是讓電子器件更直接地感知大腦，真正地理解大腦?！?/p>

這種理念預(yù)示著，未來的腦機(jī)接口技術(shù)將不僅僅是簡單的信號傳輸，而是要實現(xiàn)人腦與電子設(shè)備的深度融合。一個充滿光明的未來，正在向我們招手。

團(tuán)隊合影（從左至右：王水源、胡偉達(dá)、張嘉漪、周鵬，圖片來源：復(fù)旦大學(xué)公眾號）

作者：劉若冰

審核：王水源 復(fù)旦大學(xué)集成電路與微納電子創(chuàng)新學(xué)院研究員

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