Lidské oko je důmyslný nástroj: obraz vstupuje zakřivenou čočkou v přední části koule a prochází skrz její sklovitou tekutinu, než se dostane na sítnici citlivou na světlo – ta předává signál zrakovému nervu, který přenáší obraz do mozku. Inženýři se pokoušejí tuto strukturu napodobit již asi deset let. Nyní nové umělé oko úspěšně napodobuje kulovitý tvar přírodního nástroje. Vědci doufají, že tento úspěch by mohl vést k ostřejšímu robotickému vidění a protézám. Článek o vývoji byl ve středu publikován v časopise Nature.
Výzkum staví na tom, že perovskit, vodivý a světlocitlivý materiál používaný v solárních článcích, lze použít k vytvoření extrémně tenkých nanodrátků o délce několika tisícin milimetru. Tyto drátky napodobují strukturu dlouhých a tenkých fotoreceptorů oka, říká spoluautor studie Zhiyong Fan, elektronický a počítačový inženýr z Hongkongské univerzity vědy a technologie. “Potíž však spočívá v tom, jak vyrobit soustavu těchto nanodrátků v polokulovitém substrátu, aby vytvořily tuto polokulovitou sítnici?” dodává. Konstrukce zakřivené sítnice je důležitá, protože světlo na ni dopadá až po průchodu zakřivenou čočkou. “Když se snažíte něco zobrazit, obraz, který vznikne po průchodu čočkou, je ve skutečnosti zakřivený,” říká Hongrui Jiang, elektroinženýr z University of Wisconsin-Madison, který novou práci recenzoval, ale přímo se na ní nepodílel. “Pokud máte plochý snímač, pak obraz nelze zaostřit příliš ostře.” Sítnice je zakřivená, ale elektronické světelné senzory jsou tuhé a ploché.
Pro řešení problému Fan a jeho kolegové zdeformovali měkkou hliníkovou fólii do půlkulatého tvaru. Poté kov upravili elektrochemickým procesem, který jej přeměnil na izolant zvaný oxid hlinitý. Tento proces také zanechal materiál posetý póry v nanorozměrech. Výsledkem bylo, že vědci získali zakřivenou polokouli s vhodně hustě seskupenými otvory, v nichž mohli “pěstovat” perovskitové nanodrátky. “Hustota nanodrátků je velmi vysoká,” říká Jiang. “Je srovnatelná – ve skutečnosti je dokonce vyšší než hustota fotoreceptorů v lidských očích.”
Když měli vědci svou zakřivenou “sítnici”, zabudovali ji do umělého oka, jehož přední část tvořila zakřivená čočka. Inspirován specializovanou kapalinou ve skutečném oku naplnil tým svou biomimetickou verzi iontovou kapalinou, což je druh kapalné soli, ve které se mohou pohybovat nabité částice. “Jedna velmi důležitá součást uvnitř je v dutině, kterou jsme naplnili iontovou kapalinou,” říká Fan. “Jakmile tyto nanodrátky vytvoří náboje, dojde k jejich výměně s některými ionty.” Tato elektrická výměna umožňuje perovskitovým nanodrátkům vykonávat elektrochemickou funkci detekce světla a vysílání tohoto signálu do externí elektroniky zpracovávající obraz.
Když tým umělé oko testoval, dokázalo zpracovat světelné obrazce za pouhých 19 milisekund – polovinu času, který potřebuje lidské oko. A vytvářelo snímky, které měly větší kontrast a jasnější okraje než snímky generované plochým obrazovým snímačem s podobným počtem pixelů. V některých ohledech umělé oko vylepšilo přirozené vidění: dokázalo zachytit větší rozsah vlnových délek a postrádalo slepou skvrnu.
Fan doufá, že bude spolupracovat s lékařskými výzkumníky na konstrukci protéz založených na návrhu jeho týmu. To by však mohlo vyžadovat mnohem delší vývoj. Umělé oko je “opravdu elegantní; vypadá to jako úžasná práce,” říká Jessy Dorn, viceprezident pro klinické a vědecké záležitosti biomedicínské společnosti Second Sight, který se na výzkumu nepodílel. “Ale nemluvme o tom, jak by to mohlo být propojeno s lidským zrakovým systémem.” Pracuje na zařízeních pro léčbu slepoty, včetně sítnicové protézy nazvané Argus II, a upozorňuje, že vývoj elektronického rozhraní je pouze prvním krokem. Takové zařízení bude muset spolupracovat s lidským mozkem, aby mohlo vytvářet obrazy. “To je jeden z největších problémů: jak bezpečně a spolehlivě implantovat jakýkoli druh rozhraní s vysokým rozlišením a následně spolupracovat s lidským zrakovým systémem.”
Navíc existují různé typy slepoty a dokonalé oči nemusí vždy vytvářet dokonalé vidění. Například vývoj mozku v kojeneckém a dětském věku je klíčový pro zpracování zrakových vstupů – takže člověk, který se narodí slepý, nemusí mít nikdy takové mozkové zapojení, které je nutné pro vidění prostřednictvím očních protéz v pozdějším věku. Dorn poznamenává, že všichni příjemci implantátu Argus II jsou dospělí lidé, kteří ztratili zrak mnohem později. A i ti mají různou úroveň úspěchu: někteří získali pouze schopnost rozlišovat světlo a stín, zatímco jiní dokáží zpracovávat tvary. Přesto říká, že jakékoliv vizuální spojení s okolím může vést k větší nezávislosti a svobodě pohybu. A protézy nejsou jediným cenným využitím umělých očí: taková zařízení by mohla mít bezprostřední uplatnění v robotickém vidění.
“Napodobit přirozené oči bylo snem mnoha optických inženýrů,” říká Jiang s tím, že někteří výzkumníci se snaží napodobit oči savců a jiní pracují se složenýma očima podobnýma hmyzu. Dodává, že v tomto oboru se konečně začínají objevovat skutečné průlomy. “Myslím, že zhruba za 10 let bychom se měli dočkat velmi hmatatelných praktických aplikací těchto bionických očí.”