哈佛又出黑科技，將超透鏡與人造肌肉技術結合，創造「人造眼睛」

最新 03-15

還記得我不久前介紹的哈佛黑科技——超透鏡metalens嗎？（顛覆傳統的「完美」鏡頭——超透鏡）最近哈佛在超透鏡的基礎上又發明了新的黑科技了。

受到人眼的啟發，哈佛大學John A.Palulson工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員（對，還是他們）將人造肌肉技術的突破和metalens技術的突破相結合，創造出可以跟人眼一樣實時改變焦點的可調節metalens。

聽不懂？看了下面這個gif你就懂了。

GIF

傳統鏡片在裝配過程中難免會產生輕微的錯位和機械應力，這對鏡片會產生變形，從而導致少量的散光和其他像差。而metalens是平面透鏡，不同於曲面透鏡，在出現這些問題的時候，metalens就有糾正這些畸變的可能性。

在人眼中，晶狀體被睫狀肌包圍，通過拉伸或壓縮改變晶狀體的形狀來調整焦距。通過將metalens與人造肌肉技術的集合。通過人造肌肉伸展透鏡時，納米柱位置發生改變，達到改變焦距的效果。

讓metalens能夠像人眼一樣實時改變焦點，同時還能做到人眼無法自然做到的散光和圖像偏移。焦點、散光、圖像偏移正是造成圖像模糊的主要原因。

人造肌肉

人造肌肉並不是生物學意義上的肌肉，而是指在外部刺激下（如電壓、電流、壓力、溫度等），能夠產生可逆性收縮、膨脹或旋轉的材料。叫電活性智能材料可能會更加妥帖，不過就沒有人造肌肉這個名字那麼有噱頭了。

在這裡，研究人員使用的是薄而透明的介電彈性制動器（也就是我們的人造肌肉）。研究人員將metalens』粘在一個這樣的人造肌肉上，同時還要保證這個材料的折射率很低，這樣光通過的時候只會產生很小的散射。

在圓盤上，將電極以同等面積同心地貼在膜的兩側來產生單個均勻變形區域。

如圖這種五段的裝置允許創建和控制不同的應變場，包括中心的徑向膨脹和收縮應變。

透明可拉伸的電極層（灰色），由單壁碳納米柱組成，帶電荷，充當電容器。產生的靜電引力沿紅色箭頭方向壓縮，人造肌肉沿黑色箭頭方向膨脹。

簡單來說，就是通過電壓的變化，在metalens的x軸和y軸施加不同的力，從而造成z軸焦點的變化。

接下來，研究人員的目標是進一步降低控制所需要的電壓與鏡頭的功能。

超透鏡Metalens技術的突破

看過丸子醬之前超透鏡文章的小夥伴應該還依稀記得，文章最後提到的，限制metalens應用的最大障礙就是它的大小問題。兩個月前，技術難題還是如何將metalens直徑尺寸突破1cm，如今，metalens的尺寸已經達到了2cm。（說好的最大限制，難題呢！兩個月就解決了啊！）

在擴大metalens尺寸時，研究人員將半導體技術和透鏡製造技術結合，將metalens與製造集成電路的技術兼容，將用於製作計算機晶元的光刻技術用於製造光學元件的表面。

這時，最大的問題就是，在尺寸擴大的同時，數據文件也在成倍的擴大。

由於metalens亞波長尺寸標準的限制，小小的器件上描述了數百萬或數十億個單獨的微觀元元素。面積一旦過大，極高的數據密度會產生難以控制的超大文件總量。例如，直徑5cm的鏡片可能需要超過60億個元素組成，而且每個元素必須用納米級精度的位置和半徑定義來描述，導致尺寸會超過200千兆位元組。所以，之前製作的metalens不過幾毫米而已。

為了能夠儲存這麼多數據，在這些文件隨後進行計算密集型處理（例如壓裂）時，將這些文件大小壓縮到最低是至關重要的。

研究人員研發的一種壓縮演算法「METAC」(METAsurface Compression)，允許文件大小呈指數般減少幾個數量級。該演算法使用布局文件中的大量層級級別來複制關於中心光軸的元元素（大多數透鏡時中心對稱的），利用旋轉對稱來大大減少那些沿著一條徑向線上獨特元元素定義的數量。

根據設備直徑和METAC演算法比較設計文件大小

對應像透鏡這樣旋轉對稱的器件，核心演算法是在每個徑向位置處實現的，首先生成自引用結構庫，然後再頂層結構內引用該庫內的結構。庫的第一個元素是從一個原始結構開始生成的。第二個元素是在通過相同的徑向位置處引用第一個元素的兩個副本形成的，但是偏移了適當的方位角。第三個元素通過引用第二個元素的兩個副本。以此類推，生成了一系列遞增的層次級別的指數級加倍結構。