由人工开发的纳米复眼,在各个领域都起到了极大的作用!

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眼睛是自然界生物感知外界信息的最重要器官之一。昆虫的弧形复眼具有视野宽广、灵敏度高、能探测快速移动目标等优点,引起了人们的广泛关注。自然界中的复眼主要有两类。一类是可以避免光线串扰的叠加眼,另一类是灵敏度较高的叠加眼。


随着微米和纳米加工技术的快速发展,复眼的制造技术经历了从最初的波导自写到通过热回流等工艺实现先进的飞秒激光法的变化。复眼的直径从最初的几百微米到目前最小的5微米不等,更接近于自然界的复眼。本文以“Microfabrication of bioinspired curved artificial compound eyes: a review”为题于2020年11月16日发布于《Microsystem Technologies》杂志上。

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研究背景


世界上任何生物物种都具有感知外界变化的能力。它们可以在饥饿时通过嗅觉来觅食,通过视觉来观察周围环境的变化,通过声音来辨别其他物体的距离和方向。例如,根据蜻蜓和鸟类的翅膀结构,发明了直升机和飞机。在蝙蝠声纳系统的基础上,一种用于深海探测和导航应用的雷达探测系统已经投入使用。


除此以外,人工复眼是另一种典型的生物启发应用,由于其独特而精致的光学特性,包括宽视场(FOV)、无限景深和低像差,从20世纪20年代开始就引起了科学家和研究人员的极大兴趣。


生物复眼在世界范围内有超过5亿年的历史。与哺乳动物的眼睛具有动态可调的晶状体结构不同,节肢动物的复眼赋予了一个紧凑的和弯曲的视觉成像系统,由数千个最小的单元组成,称为单个ommatidia。每个ommatidium由一个折射聚合物微透镜、一个导光聚合物锥体和一个自对准波导组成,以收集小角度接受的光。


ommatidia主要呈六边形和圆形排列,少数呈方形。复眼的感光体呈凸面或凹面半球形结构,因其特别突出的光学性能,如宽视场(FOV)、近无限景深,快速运动检测和高时间分辨率和灵敏度。平面微透镜阵列具有狭窄的视场(FOV),当光以大角度入射时,会发生畸变。随后的研究表明,弯曲的人工复眼具有与昆虫复眼更相似的功能、特征和结构。

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图中a为单眼眼的工作原理和特性,b为复眼的工作原理和特性


该研究综述了人工弯曲复眼的最新进展.该研究分为三个部分,包括人工复眼的结构,基本的制作策略和几个有代表性的应用,如图所示。

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图为由微结构设计、各种微加工方法及应用组成的复眼轮廓


复眼作为一种重要的传感器官,由小单位组成,包括角膜镜片、晶体锥和横纹肌,在自然界中昆虫和甲壳类动物中比较常见

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图为复眼的内部结构


该光通道由两个倾斜透镜和一个光轴组成。在相接复眼中,每个光通道都与其相邻区域进行光学隔离,以避免出现鬼像,并减少杂散光所造成的对比度,使彼此之间没有串扰。

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图为两种人工复眼:a安装复眼,b叠加复眼


光学叠加复眼和神经叠加复眼是两种重要的分类。由来自不同光学通道的图像重叠而形成的叠加复眼图像。这种眼睛主要发生在夜间活动的动物和深海甲壳动物,以吸收尽可能多的光从各个方向。横纹肌可以从角膜晶状体吸收两个或两个以上的光信号,因此它的聚焦能力和数值孔径比图所示的复眼更好、更大。


随着先进的三维纳米加工技术的迅速发展,它也被应用于人工复眼。飞秒激光器是一种先进的、快速制造的、能够精确制造固定直径和凹陷高度的三维结构方法。

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图为多种人工复眼研究图


飞秒激光加工技术虽然具有许多优点,但由于设备昂贵,目前还不是一种流行的加工方法。然而,制备的网膜只有一层结构。在自然界中,有一些生物,如蚊子,在潮湿和昏暗的环境中具有极好的视力,这些生物可以帮助它们找到各种资源,如配偶、寄主和栖息地,它们都受益于它的双层黑斑病(肯尼迪)。


一般情况下,传统平面透镜阵列的数值孔径小于0.5,成像能力较弱,分辨率有限。


除了上述飞秒激光加工技术和微纳米圈自组装工艺外,另一种相对成熟的工艺是热再流,因为它成本低,制造工艺简单。热再流工艺经过多年的发展,以其优异的性能在微透镜阵列的制备中得到了广泛的应用。


以往的工艺大多采用一种光致抗蚀剂熔体形成微透镜阵列。热再流工艺是制造微透镜阵列最常用的方法。


激光膨胀的工作原理是底层掺杂材料的光解形成气体产物,表面的透明分子松弛,使衬底发热。当高度聚焦的激光光斑刚刚到达聚合物内部时,它就会形成膨胀。必须精确控制激光功率和辐照时间,才能获得外形良好的凸结构。在20 mm×20 mm的黑色压克力板上沉积了一层PMMA溶液,其厚度受PMMA溶液体积的控制。


众所周知,大多数人工复眼材料都是基于透明衬底PDMS、PMMA或光刻胶。在紫外光照射下,有一些具有自聚焦能力的光敏聚合物树脂材料,如SU-8,通过激光诱导的自写过程,可以增加小介质波导的长度。在自然界昆虫复眼的启发下,人工复眼有许多应用前景。例如,它们可以安装在摄像机上,形成电子眼系统,估计深度和距离,并用于人工智能车辆和机器人以及三维重建等。


虽然许多人工复眼已经被制造出来,但是能够使复眼成像的微系统面临着相当大的挑战。在2020年,顾等人.提出了一种具有高密度纳米线阵列的半球形电化学眼,它模拟人的视网膜。

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图中a为 采用折纸硅光电复制的凹凸半球型电子眼相机系统b为带有高密度纳米线阵列的半球形电化学眼模拟了人的视网膜c为机器人汽车实现了目标检测和避障功能


提出了一种具有高密度纳米线阵列的半球形电化学眼,它模拟人的视网膜。生物激发眼的结构与人眼非常相似,在图中可以获得比人眼更高的分辨率。该算法规定,当障碍物发生时,汽车向右偏,在没有障碍物的情况下,汽车继续向前行驶。


然而,目前的机器人车由于加载数字和模拟模块的重量大,运动速度慢,仍然存在很大的局限性。对目标目标的识别不能达到100%的精度,避免目标也存在一定的转弯缺陷,在未来的实验中可能会配备最新的超灵敏传感器阵列,使车辆能够感知和避免体积小得多的障碍物。


研究结论


自然界中昆虫的曲面复眼与平面透镜阵列相比,具有更大的视野、超强的景深和快速探测移动目标的能力,可应用于航天导航、医疗内窥镜和智能电子数码相机或机器人。


因其独特的结构,研究人员开发了仿生人工复眼,并将其与电路或CCD相机集成,形成曲面成像系统。本综述主要介绍了人工复眼的研究背景和结构,以及实现层次微结构的加工技术方法。最后,简要给出了人工复眼的几种重要应用。


目前,实现曲面人工复眼的工艺主要有飞秒激光、微球自组装、热回流变形、光波导等加工技术。虽然各加工技术都实现了曲面微结构的结构,但在制作过程中仍存在一些问题。首先,飞秒激光辅助湿法蚀刻或干法蚀刻是目前制造曲面人工复眼最先进的省力方法。飞秒激光加工的复眼轮廓比较准确,重复性好。


但由于设备昂贵,目前只在国内少数机构使用。另外,飞秒激光加工的周期较长,因为每一个孔都需要逐个蚀刻,而且尺寸也被限制在几十微米。通过微/纳米球高分子的自组装,可以形成所需的阵列结构,可以达到纳米级,目前有望成为制造最小尺寸人工复眼的方法。尽管如此,球的形状很容易因为过度挤压而变形,而且收敛也可能不紧凑。因此,如何保证球体的球形化是一个亟待解决的难题。


目前,热回流工艺是最常用的方法,因为它操作简单,成本低。它可以与多种变形方法相结合,如负压变形、气体辅助变形、微流控装置等,热回流制备的弧形人工复眼的尺寸比自然界的尺寸相对要大,预计以后通过工艺的改进可以使其更小。此外,还开发了金刚石基板上的ICP蚀刻、DMD无掩膜光刻、激光膨胀和光波导自写等多种工艺。


曲面人工复眼的应用和发展前景是无限的。它可以与CCD相机结合,形成智能电子数字全景相机。根据大视野的特点,在医学上可制成内窥镜,更好地监视人体内部结构。


此外,复眼结构还可以安装在无人机、小型机器人或汽车上,用于导航和巡航工作。目前,虽然曲面人工复眼已经通过多种工艺制作完成,但成像系统仍面临体积大、加工技术复杂等巨大挑战。未来的研究方向应该是如何将曲面微透镜阵列集成到小型化的机器中,真正实现商品化,并能应用到生产和生活中。


参考文献:Yueqi Zhai, Qingqing Han, Jiaqi Niu, Jingquan Liu & Bin Yang Microfabrication of bioinspired curved artificial compound eyes: a review   Microsystem Technologies (2020)



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