导语
近日，《Nature Communications》上的最新研究展示了一种人工智能角膜。这种人工智能角膜，它具有像原生人类角膜一样的保护、触觉感知和光折射功能，还具有感官扩展（拓宽现有的感官体验）和交互功能。通过由传感器振荡电路、氧化锌锡（ZTO）人工突触（AS）和电致变色器件组成的反射弧重建角膜的触觉敏感度，实现机械和光信息编码、信息处理和透射光的调节。这项工作提供了一种调整突触可塑性和设计视觉神经假体的新策略，可用于开发强大的神经形态电子学和视觉神经假体，对神经形态电子学的发展和视觉恢复具有重要意义。
1、研究背景
角膜位于眼睛的前部，是一种透明结构，可提供聚焦能力并保护虹膜和晶状体免受异物侵害。它是身体神经最密集的部分对外来污染物很敏感，触摸角膜会引起不自觉地闭眼反射（角膜反射）。然而，角膜疾病可导致失明，全世界有超过1000万人患有双侧角膜失明。最常见的医疗解决方案是供体同种异体角膜移植（即角膜移植术），但由于捐献角膜的稀缺，它只能用于70名患者中的1人 ,且有1270万患者正在等待。
为了解决这种短缺问题，人们开发出了符合光学和透明度要求的人工角膜替代品。例如，波士顿人工角膜 (Kpro) ，Aurolab Kpro ，MICOF Kpro。但是现有的人工角膜虽然有人类天然角膜的部分功能，如保护和光折射等，但它们不能重建触觉，不能实现角膜反射。因此，开发一种具有触觉、甚至具有感觉扩展和交互功能的“更智能”的人工角膜，对于恢复角膜失明患者的视力具有重要意义。此外，这些功能必须通过“隐形”内置电子器件来实现，以实现天然角膜的高透明度和低雾度。
2、研究概述
人工角膜反射弧概述
为了在神经通路层面构建人工角膜反射弧，该系统由三个核心组件组成：传感器振荡电路作为将外部刺激转换为脉冲尖峰的受体，ZTO AS作为传输和集成信息的处理核心，以及电致变色器件作为响应突触后电流的执行器。
图1 角膜反射和相应的人工角膜反射弧的示意图
图片来源于论文
具有可调谐晶体结构的数字对准ZTO光纤
该研究为了模仿生物突触，开发了离子凝胶门控突触晶体管。它们由源极和漏极、数字排列的ZTO纤维通道和使用聚偏二氟乙烯-六氟丙烯共聚物 (PVDF-HFP) 的电解质组成。
该研究对使用不同Zn:Sn摩尔比（3:7、1:1 和 7:3）的ZTO AS进行了纤维结构，光学性能，化学性能及相应的突出性能进行了评估。ZTO纤维除了不含重金属、无毒、成本低廉等优点外，其综合光学性能好，证明了其在透明电子产品中的适用性。
图2 a:生物突触示意图；b:使用ZTO光纤维的AS
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具有可调突触可塑性的ZTO纤维人工突触
配对脉冲促进（PPF）是生物系统中的典型突触特征。在PPF中，人工兴奋性突触后电流（aEPSC）的振幅在两个连续突触前尖峰的第二个之后比在第一个之后更高。通过施加一对由不同时间间隔分隔的尖峰（2V，50ms）来量化三个ZTO AS的PPF。研究关于突触可塑性的实验结果表明，通过调整Zn:Sn摩尔比，可以轻松地在短期可塑性（STP）和长期可塑性（LTP）之间调节塑性。生物突触可以充当过滤器来处理动态实时信息。该研究验证了三个ZTO AS的高通滤波特性，结果表明该器件具有高通滤波特性。尖峰持续时间依赖性可塑性（SDDP）和尖峰电压依赖性可塑性（SVDP）是突触学习和记忆中的基本规则。三个ZTO AS的SDDP是通过调整突触前尖峰的持续时间获得的。重复刺激后，ZTO-3:7 AS在强烈刺激后保留了aEPSC，因此表现出LTP。然而，ZTO-7:3和ZTO-1:1AS的aEPSC在短时间内衰减到初始值，因此它们仅具有STP。该研究还展示了ZTO纤维AS在加密通信和巴甫洛夫联想学习中的潜在应用。因为该研究的突触特性表现出优异的抗弯曲性（弯曲2000次后变化<7%），因此它在柔性电子产品中也具有潜在的应用。
图3 刺激下突触信号传导的示意图：生物突触 ( a ) 和 ZTO 纤维 AS ( b )
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具有触觉的人工智能角膜
在神经学检查中，通过使用棉签触摸角膜来诱发角膜反射。角膜反射检查的价值在于确认神经通路的完整性。感觉信息通过三叉神经传输到三叉神经脊核。然后，信息从三叉神经脊核通过它们之间的神经传递到双侧面核。最后，传出信息通过面神经传输至双侧眼轮匝肌（作为执行器）并诱导其收缩。该研究构建了一个人工角膜反射弧，其中包含振动传感器振荡电路、ZTO-3：7 AS、放大器电路和一对电致变色器件。振动传感器-振荡电路作为接收器将机械刺激转换为电脉冲，ZTO-3:7 AS作为处理核心来传输和集成信息，放大器电路输出所需的电压来操作执行器，以及电致变色装置充当响应突触后电流的执行器。研究结果表明人工角膜反射弧构建成功，可用于模拟神经检查。人工角膜反射弧具有像天然人类角膜一样的保护、触觉感知和光折射功能，并且还可以模仿眼轮匝肌的收缩。它比人类原生角膜和无法感知触觉刺激的传统人造角膜更加智能。因此，该研究将人工角膜反射弧描述为具有触觉的人工智能角膜。
图4 a：角膜反射检查示意图（左）和角膜反射过程（右）。b：机械刺激引起的角膜反射示意图。c：响应机械刺激的人工角膜反射弧的配置。
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人工智能角膜的感觉扩展和交互功能
为了提高具有触觉的人工智能角膜的智能性，该研究通过使用光传感器振荡电路来取代振动传感器振荡电路，赋予其光感知能力。人工智能角膜实现了感觉拓展，获得了感知和响应外界光刺激的能力。研究结果表明，电致变色执行器成功地模拟了人眼的打开和关闭状态，可以实现透射光的调节和对人眼的保护。此外，电致变色致动器的透射率可以适应环境中光强度的变化。透光率的光适应表明，人工智能角膜可以与环境相互作用，为眼睛在不断变化的环境中提供额外的自适应保护。因此，人工智能角膜同时实现了感官扩展和交互功能。
作为概念验证，该研究还使用了机器人配备了人工智能角膜。人工智能角膜在逻辑上与人类神经系统兼容，复制了人类原生角膜的保护、触觉感知和光折射功能，并扩展了光感知和交互功能。未来新型人工智能角膜的发展趋势将朝着生物相容性、稳定性、小型化、高集成化方向发展。经过开发和优化，人工智能角膜可能适合移植到角膜失明并等待医疗干预的个体中，从而缓解供体角膜的短缺。成熟的人工智能角膜在神经修复和视力康复方面具有潜在的应用前景。
图5 a:人眼的光感知示意图。b:配备人工智能角膜的机器人示意图。c:响应光刺激的人工角膜反射弧的配置。d:光传感器振荡电路的输出尖峰频率与照度的关系。e:光刺激下人工智能角膜各部分信号输出随时间变化的统计曲线。f , g:电致变色执行器的数字图像以及弱光( f) 和亮光 ( g )下人眼的相应示意图。h:配备人工智能角膜的机器人的数字图像。
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该研究开发了一种人工智能角膜，复制了人类原生角膜的保护、触觉感知、光折射等功能，并扩展了光感知和交互功能。为了实现这些功能，通过集成传感器振荡电路、ZTO AS和电致变色器件，构建了能够实现机械和光信息编码、信息处理和透射光调节的人工角膜反射弧。无毒、低成本的无重金属ZTO被制成数字排列的长且连续的织物图案，具有高透光率（99.89％）和低雾度（0.36％），以确保光学性能人工突触。通过调节ZTO纤维的晶相结构，可以轻松实现短期可塑性和长期可塑性之间的可调节突触可塑性，并进一步用于加密通信和联想学习。未来，人工智能角膜的生物相容性、稳定性、尺寸和集成度必须得到优化。成熟的人工智能角膜可能在神经修复和视力恢复方面有应用。
参考文献：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
