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仿造靈魂之窗的光圈—人造感光虹膜

系統的可調節性、自我調節(self-regulation)功能是生物工程的關鍵,例如接收聲音刺激而調節鼓膜張力或接受不同光強而調整瞳孔大小,這些感官系統展現因應外界刺激的自調節機制。本篇小新聞便以虹膜為例,介紹近期仿生材料製成的感光虹膜。虹膜是眼球中調節「光圈」的重要結構,必須適應日間與夜晚高達九個數量級差異的光強,而人眼更能在數百毫秒內將焦距由數十公尺調整至幾公分 [1],動態且連續的曝光、景深與光圈調整使眼球成為精緻優良的「光學元件」。

 

過去的研究透過溫度變化、壓電特性與微流道設計打造精製且可調控的光圈,然而這類設計並不包含自我調控的機制,而仍需要感光元件經過校準、回饋後才進行被動式的調整,此研究團隊則以光敏感的液晶彈性體(liquid crystal elastomer)納入自我調控機制。光敏感液晶彈性體由彈性的網狀聚合物與液晶構成,在光刺激下產生可逆的光化學反應,反應產生的溫度、分子結構改變能影響彈性材料的力學特性。進一步,如何以光照精確地調控形變量、優化可重復性與反應效率則是一系列材料設計與製成技術的貢獻 [2]。

 

人造感光虹膜設計為圓盤狀,中央輻射的「花瓣」造型則是能在光刺激下向內彎曲、進而縮小光圈的結構。為了達到調控彎曲的幾何結構,製成時考慮虹膜厚度、也以光刻(photolithography)設計輻射狀的聚合物排列,另外,製成時的溫度能控制光敏感液晶材料回溫後的各向異性(anisotropy)形變,藉此調整黑暗環境中材料的初始彎曲程度、進而影響光圈擴張。本研究製成的人造虹膜確實能在光刺激下縮小光通範圍、縮減七倍的光通量,而反應速度也與光刺激強度正相關,約能在數十秒內完成光圈調控 [3]。

 

光敏感人造虹膜的初步成果相當可觀,未來還能納入不同材料組成,優化反應效率或設計不同波長的專一性反應,能應用於光微流(optofluidics)系統、光刺激生物環境、甚至有助軟體機器人(soft robotics)的研發 [4],相信能開啟生物工程、仿生技術的新篇章。

人類虹膜在接強光下縮小瞳孔(a)及虹膜在微光下放大瞳孔(b)。圖c, d. 為人工虹膜模擬人類虹膜,在接受到強光時,光照會使得花瓣狀的片段向內彎曲並減少光圈大小。反之,微光會使得人工虹膜產生向異性熱膨脹 (anisotropic thermal expansion) 使得花瓣狀片段打開並增加光圈大小。圖片來源:goo.gl/43vtkh

 

參考資料:

  1. Webvision. (n.d.). Retrieved from http://webvision.med.utah.edu/ 
  2. Yu, Y., Nakano, M., & Ikeda, T. (2003). Directed bending of a polymer film by light. Nature425(6954), 145-145. doi:10.1038/425145a
  3. Zeng, H., Wani, O. M., Wasylczyk, P., Kaczmarek, R., & Priimagi, A. (2017). Self-Regulating Iris Based on Light-Actuated Liquid Crystal Elastomer. Advanced Materials29(30), 1701814. doi:10.1002/adma.201701814(原文網站附上光刺激下人工虹膜反應的影片,相當有趣!)
  4. Soft robotics | Wikiwand. (n.d.). Retrieved May 31, 2018, from https://www.wikiwand.com/en/Soft_robotics(soft robotics影片:goo.gl/haQ5j8

 

撰文│陳曦

修訂│楊仁龍

About the author

陳曦

台大生科系畢業,目前於普林斯頓大學攻讀博士班。研究領域為系統與計算神經科學,也對生物物理、 系統生物學與複雜系統感興趣。大學至UCLA暑期實習、於復旦大學研究交流、碩士班研究於中研院物理所。大學時期推動系學會學術活動、撰寫科普文章,希望對跨領域合作、科普知識的推廣盡一份心力。期待持續在Investigator社群結識志同道合的朋友,推廣學術訊息、分享研究經驗的過程中互相學習。