【回顾】极视眼——智能眼球机器人

——杨奕辉

方案背景
眼睛作为人类最重要的器官之一,对它的研究一直以来是人们的迫切需PhotosRobotics_Competition15011求。中国有大约为600~700万左右的盲人,占世界盲人总数的18%,是全世界盲人最多的国家之一。不仅如此,双眼低视力患者也有接近1200万。随着人们生活水平地提高,这些眼部有残缺或隐患的群体越来越多地选择使用假眼、义眼来对相貌进行弥补。与此同时,由于盲人或眼疾患者的视网膜通常是完好的,于是人们发明了电子眼、舌部显示器等利用光电原理制成的仿真电子眼对视网膜进行刺激,达到成像效果。这样的技术也渐渐走出实验室,进入到我们的生活中,少数盲人也从中获益。但这些眼部的“替代品”都有着各自不足的地方——义眼无视觉功能,佩戴上去需要使用者有个较长的适应期,并且难以更换;电子眼多为硬质,且视觉功能受到内部元件的限制,稳定性与真正的眼睛相比要低很多,同时制造与佩戴成本较高。那么,假如能够利用仿真的柔性材料,将眼球与软体机器人相结合,发挥软体机器人良好的变形及高自由度的特点,同时加上微型传感器与光学元件,是不是就可以制成一个能极高地模拟真实眼睛的光学成像过程的“智能眼”呢?

方案具体介绍
1、“智能眼”构成:眼球机器人的主体是由模拟眼球生理组织的柔性材料制成。内部具有模拟角膜、晶状体、虹膜等生理结构的结构模块,模块可由空气驱动进行自由伸缩、变形与移位,也可被有色物质填充。除了仿生结构外,眼球机器人内部有一中央芯片以及若干可拓展更换的传感器,可根据收集到的脑电波等生物信号对眼球进行调节。
2、“智能眼”主要功能:根据使用者眼眶大小自动伸缩,填充空间,以达到最大的生理契合度。通过芯片指导调节结构模块,利用其自由伸缩、变形与移位,模拟出真实眼球的变焦、瞳孔大小变更、色素的转移等生理功能。凭借这些模块,模拟真实的生理成像过程实现视觉功能。拓展眼球的视觉功能。其内置的传感器可以收集眼球周围组织(包括大脑、脊髓、气管)或非生物环境的信息(如温度、湿度),以此为依据对眼球进行进一步的调节,使得智能眼能够适应比真实眼睛更加恶劣的环境(如水下)。
3、“智能眼”的优势:在最大程度恢复视觉功能的同时带来极佳的生理吻合。不再出现眼疾、近远视眼等症状。可适应更加复杂的环境。

方案意义
1、让盲人和眼疾患者在恢复甚至增强视觉功能的同时,享受到最佳的生理契合性。
2、对“放真眼”这一产品类别而言,在降低制造成本的同时最大化地优化视觉功能。
3、内部可嵌入各种传感器,具备极佳的功能拓展性。
4、相比硬件电子眼,仿真性与稳定性更高,维护成本更低。

方案实现优势
材料方面:已有国外实验室实现利用3D打印将细胞组织(或更好的复合材料)打印成特定形状,并且具备很好的柔韧性、延展性、可塑性和密封性。未来可利用该技术进行“智能眼”整体与各结构模块的生产。功能方面:柔性材料制成的仿真结构模块通过自身的伸缩、变形和色素填充等来模拟晶状体、角膜、虹膜等生理结构的变化。相对应的初级的变换已在目前的软体爬行机器人上有所呈现。芯片对它们的控制程序可从刚体机器人的编程中借鉴,其它传感器对生理信息的收集和反馈可以利用现已成熟的解决方案。实现的难点在于配合芯片实现上述结构模块的模拟仿真,但随着软体机器人的发展,这些问题的解决相信只是时间的问题。大环境方面:进入二十一世纪,生物技术得到了飞一般的发展。短短十年间,人类就实现对生物机体的部分改造,如克隆器官移植、断肢再造、换头术等。而在生物与机器人相结合的过程中,人们在借鉴了硬体机器人的研究基础后,对软体机器人的研究也将会非常地迅速,而软体与生物组织有着天然的相似契合属性,因此,两者的结合也将是必然趋势。

适用场景介绍
1、为盲人或无眼球患者安装、更换“智能眼”,之后无需外部设备。
2、为高度近视或眼疾患者提供一个恢复甚至增强视觉功能的选择。
3、智能眼的材料供给、制造、软件研发、解决方案等部分可进行有效社会分工,有可能诞生一个新的产业。

Comments are closed