在《终结者》系列电影中，阿诺德·施瓦辛格饰演的角色通过叠加在他的视野上的数据来观察世界，虚拟字幕增强了机器人对场景的扫描能力。在科幻作家弗诺·文奇(Vernor Vinge)的小说中，人物依靠电子隐形眼镜，而不是智能手机或大脑植入物，来无缝地获取眼前出现的信息。
这些异象(恕我直言)可能看起来有些牵强，但带简单内置电子设备的隐形眼镜已经触手可及;事实上，我和我的学生们已经在我位于西雅图的华盛顿大学的实验室里少量生产这种设备了[见侧栏]。《眼睛里的闪烁”)。这些镜头还不能让我们看到老鹰的视野，也不能让我们看到周围的环境。但是我们制造了一个只有一个LED的镜头，我们用射频无线供电。到目前为止，我们所做的几乎没有暗示这项技术很快会实现什么。
传统的隐形眼镜是由特定形状的聚合物制成，用来矫正视力缺陷。为了将这样的镜头变成一个功能系统，我们使用定制的光电元件将控制电路、通信电路和微型天线集成到镜头中。这些组件最终将包括数百个led，它们将在眼前形成文字、图表和照片等图像。大部分硬件都是半透明的，所以佩戴者可以在周围环境中导航，而不会撞到周围环境或迷失方向。在十有八九的情况下，一个独立的便携式设备将把显示信息传递到镜头的控制电路，该电路将操作镜头中的光电子器件。
这些镜片不需要非常复杂就能发挥作用。即使是一个只有一个像素的镜头也可以帮助听力受损的人，或者被用作电脑游戏的指示器。有了更多的颜色和分辨率，这套系统可以扩展到包括显示文本，实时将语音翻译成字幕，或提供来自导航系统的视觉提示。通过基本的图像处理和互联网接入，隐形眼镜显示器可以解锁视觉信息的全新世界，不受物理显示器的限制。
除了视觉增强，无创监测穿戴者的生物标志物和健康指标可能是一个巨大的未来市场。我们已经建立了几个简单的传感器，可以检测分子的浓度，比亚博排列五投注网站如葡萄糖。亚博排列五投注网站内置在镜片上的传感器可以让糖尿病患者无需刺破手指就能随时监测血糖水平。我们现在正在评估的葡萄糖探测器仅仅是未来5到10年可能实现的一种微光。每天有超过1亿人佩戴隐形眼镜，它们是唯一一种通过液体与身体内部保持长时间接触的一次性大众产品。当你做血液测试时，你的医生可能会测量许多与你眼睛表面活细胞中发现的相同的生物标记物，并且其浓度与你血液中的水平密切相关。一个适当配置的隐形眼镜可以监测胆固醇，钠和钾的水平，举几个潜在的目标。与无线数据发射器相结合，这种镜片可以立即将信息传递给医护人员或护士，无需针头或实验室化学物质，混淆的几率也大大降低。
在制造多功能隐形眼镜的道路上，有三个基本的挑战。首先，制造透镜的许多部件和子系统的过程彼此不兼容，而且与透镜的脆弱聚合物不兼容。为了解决这个问题，我和我的同事们从头开始制造我们所有的设备。为了制造硅电路和led的组件，我们使用高温和腐蚀性化学物质，这意味着我们不能直接在镜头上制造它们。这就引出了第二个挑战，即镜片的所有关键部件都需要小型化，并集成到约1.5平方厘米的柔性透明聚合物上。我们还没有完全解决这个问题，但到目前为止，我们已经开发了自己的专业组装工艺，使我们能够将几种不同的组件集成到镜头上。最后但并非最不重要的是，整个装置需要对眼睛完全安全。以LED为例。大多数红色led是由有毒的砷化铝镓制成的。因此，在LED进入人眼之前，它必须被一种生物相容性物质包裹。
到目前为止，除了我们的葡萄糖监测器，我们已经能够批量制造其他一些纳米级生物传感器，它们可以对目标分子发出电信号;亚博排列五投注网站我们还制作了一些微型元件，包括单晶硅晶体管、无线电芯片、天线、扩散电阻、led和硅光电探测器。我们已经构建了所有微米级的金属互连，以形成隐形眼镜上的电路。我们还展示了这些微元件可以通过自组装过程集成到其他非传统基底上，例如薄而灵活的透明塑料或玻璃。我们用一个LED，一个小型无线电芯片和天线制作了透镜原型，我们将能量无线传输到透镜，照亮LED。为了证明这种隐形眼镜是安全的，我们将它们包裹在一种生物相容性聚合物中，并成功地在活兔子身上进行了试验。
第二视力:在最近的试验中，兔子每次戴上含有金属电路结构的镜片20分钟，没有任何不良反应。图片来源:华盛顿大学
看到光明led灯是一个合理的成就。但通过镜头看到有用的东西显然是最终目标。幸运的是，人类的眼睛是一个极其敏感的光电探测器。在万里无云的中午，大量的光从你的瞳孔中流过，世界看起来确实明亮。但是眼睛并不需要那么多的光功率——只要有几微瓦的光功率通过晶状体，眼睛就能感知图像。液晶电脑屏幕也是同样的浪费。它发出大量的光子，但只有一小部分进入你的眼睛，击中视网膜形成图像。但当显示器直接在你的角膜上时，显示器产生的每一个光子都有助于形成图像。
这种方法的美妙之处是显而易见的:由于光线来自瞳孔上的透镜，而不是来自外部光源，形成图像所需的能量要小得多。但是如何从透镜中获得光呢?我们考虑了两种基本方法。一种选择是在镜头中内置一个基于LED像素阵列的显示器;我们称之为活动显示。另一种选择是使用被动像素，它只是调制入射光，而不是产生自己的光。基本上，它们通过对光源的反应改变颜色和透明度来构建图像。(它们类似于液晶显示器，其中微小的液晶“百叶窗”通过红色、绿色或蓝色滤光片阻挡或传输白光。)对于功能性隐形眼镜上的无源像素，光源就是环境。颜色不会像白色背光液晶显示器那样精确，但图像可以非常清晰和精细地分辨。
我们主要采用有源方法，并生产了可以容纳8 × 8 led阵列的镜头。目前，主动像素更容易附着在镜头上。但是使用无源像素会显著降低触点的整体功率需求如果我们可以弄清楚如何使像素更小，对比度更高，并能够对外部信号做出快速反应。
现在你可能想知道一个戴着隐形眼镜的人是如何聚焦在眼睛表面产生的图像上的。毕竟，正常健康的眼睛无法聚焦在距离角膜表面小于10厘米的物体上。led本身只是在佩戴者的视野中产生一个模糊的色斑。图像必须以某种方式被推离角膜。其中一种方法是在隐形眼镜表面放置一组更小的镜片。这种微透镜阵列过去曾被用于聚焦激光，在光刻技术中，用于在光刻胶上绘制光的图案。在隐形眼镜上，每个像素或一小组像素将被分配到眼睛和像素之间的一个微透镜上。将一个像素和一个微透镜间隔360微米就足以将虚拟图像向后推，让眼睛很容易聚焦在它上面。对于佩戴者来说，图像似乎悬挂在大约半米外的空间中，这取决于微透镜。
另一种制作清晰图像的方法是使用扫描微激光器或微激光器阵列。激光光束的发散比LED光小得多，所以它们会产生更清晰的图像。一种驱动镜会扫描来自红色、绿色和蓝色激光的光束，从而生成图像。图像的分辨率将主要受到光束狭窄的限制，而激光显然必须非常小，这将是一个巨大的挑战。然而，使用激光将确保图像在任何时候都是聚焦的，并消除了对微透镜的需求。
无论我们使用led还是激光来显示，接触表面的光电子可用面积是真的小:直径约1.2毫米。显示器还必须是半透明的，这样佩戴者仍然可以看到周围的环境。这些要求很严格，但并非不可能。到目前为止，我们制造的LED芯片的直径为300微米，每个芯片上的发光区是一个60微米宽的环形，半径为112微米。我们正试图将其降低一个数量级。我们的目标是一个3600个10微米宽像素的阵列，像素之间间隔10微米。
在眼睛上放置显示器的另一个困难是防止它相对于瞳孔周围移动。矫正散光的普通隐形眼镜在底部加重，以保持特定的方向，误差几度。我认为同样的技术可以防止显示器倾斜(除非佩戴者经常眨眼!)。
像所有移动电子产品一样，这些镜头必须由合适的电源供电，但在这些选择中，没有一个特别吸引人。空间限制非常严重。例如，电池很难小型化到这种程度，需要充电，并且会引发事故后锂离子漂浮在眼睛里的恐惧。更好的策略是从环境中收集惯性能量，方法是将环境振动转化为能量，或者接收太阳能或射频能量。大多数惯性功率扫光设计的功率输出都低得令人无法接受，因此我们专注于用太阳能或射频能量为镜头供电。
让我们假设1平方厘米的镜头区域是用来发电的，我们把这个空间用来装太阳能电池。室内可获得近300微瓦的输入电力，室外可获得的电力可能更多。在转换效率为10%的情况下，如果隐形眼镜的所有子系统都在室内运行，这些数字将转换为30 μ W的可用电能。
从用户口袋里的电源收集射频能量会略微提高数字。在这种设置中，透镜区域将容纳天线而不是光伏电池。天线的输出将受到各种频率允许的场强的限制。在1.5千兆赫到100千兆赫之间的微波波段，对人类安全的暴露水平是每平方厘米1毫瓦。对于我们的原型，我们已经制造了第一代可以在900兆赫到6千兆赫范围内传输的天线，我们正在研究更高效率的版本。因此，从这一平方厘米的透镜空间中，我们应该能够提取至少100 μ W，这取决于天线和转换电路的效率。
创造了一切这些子系统正常工作，最后的挑战是把它们都装在同一个微型聚合物圆盘上。回想一下我们需要塞进镜头里的东西:形成天线的金属微结构;制造光电器件的复合半导体;用于低功耗控制和射频通信的先进互补金属氧化物半导体硅电路;微机电系统(MEMS)传感器和谐振器，用于调谐射频通信的频率;表面传感器与生化环境反应亚博排列五投注网站。
我们通常用来制造这些组件的半导体制造工艺不会起作用，因为它们与隐形眼镜的柔性聚合物基材在热和化学上都不兼容。为了解决这个问题，我们在绝缘体硅晶圆上独立制造了大部分微元件，并在其他基底上制造了led和一些生物传感器。亚博排列五投注网站每个部分都有金属互连，并蚀刻成独特的形状。最终产量是一组细粉末部件，然后我们嵌入透镜。
我们首先准备容纳微元件的基板，即100微米厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄片。该衬底具有光刻法定义的金属互连线和结合位点。这些结合位点是大约10微米深的小孔，在那里组件和模板之间将形成电连接。在每口井的底部都有一个很小的低熔点合金池，随后将连接两个互连点，这相当于微米级的焊接。
然后，我们将塑料透镜基板浸入液体介质中，并将收集的微元件流过它。绑定位点被切割以匹配各个部件的几何形状，以便三角形组件找到一个三角形井，圆形部件落入一个圆形井，等等。当零件落入互补井时，零件表面的一个小金属垫与井底的合金接触，产生毛细管力，使零件固定在适当的位置。所有零件都找到槽后，我们降低温度使合金凝固。这一步锁定了元件、互连点和基板之间的机械和电气接触。
下一步是确保我们刚刚组装的所有可能有害的部件穿戴起来完全安全舒适。我们正在开发的隐形眼镜类似于现有的透气性隐形眼镜，在电子元件周围包裹着一小块透气性稍差的材料。我们一直在用聚甲基丙烯酸甲酯(聚甲基丙烯酸甲酯)封装功能部件，这种聚合物用于制造早期的隐形眼镜。接下来是光和热与眼睛相互作用的问题。为了能源预算，系统的功耗不仅必须非常低，还必须避免产生足够的热量来伤害眼睛，因此温度必须保持在45°C以下。我们还没有充分调查这个问题，但我们的初步分析表明，热量不应该是一个大问题。
焦点:一个镜头原型(左)有几个互连，单晶硅组件和嵌入其中的复合半导体组件。另一个镜头样本(右)包含一个无线电芯片，一个天线和一个红色LED。图片来源:华盛顿大学
所有基本的制造功能性隐形眼镜所需的技术已经到位。我们已经在动物身上测试了最初的几个原型，证明这个平台是安全的。我们现在需要做的是展示所有子系统一起工作，进一步缩小一些组件，并将射频功率收集扩展到更高的效率和比我们现在的几厘米更远的距离。我们还需要构建一个配套设备，它可以进行所有必要的计算或图像处理，以真正证明系统可以按需生成图像。我们从一个简单的产品开始，一个只有单一光源的隐形眼镜，我们的目标是开发出更复杂的镜片，可以在用户的真实视野上叠加计算机生成的高分辨率彩色图像。
这项研究的真正前景不仅仅是我们最终制造的实际系统，无论是显示器，生物传感器，还是两者兼而有之。我们已经看到，在未来，不起眼的隐形眼镜将成为一个真正的平台，就像今天的iPhone一样，许多开发者将贡献他们的想法和发明。就我们所知，可能性是眼睛所能看到的，甚至更远。
作者要感谢他过去和现在的学生和合作者，特别是Brian Otis, Desney Tan和Tueng Shen，感谢他们对这项研究的贡献。
