Det menneskelige øje er et sofistikeret instrument: billederne kommer ind gennem en buet linse på forsiden af kuglen og passerer gennem den klæbrige, glasagtige væske, før de når den lysfølsomme nethinde – som videresender signalet til synsnerven, der fører billedet videre til hjernen. Ingeniører har forsøgt at efterligne denne struktur i omkring et årti. Nu er det lykkedes et nyt kunstigt øje at efterligne det naturlige instruments sfæriske form. Forskerne håber, at dette resultat kan føre til skarpere robotsyn og proteser. En artikel om udviklingen blev offentliggjort onsdag i Nature.
Forskningen byggede på det faktum, at perovskit, et ledende og lysfølsomt materiale, der anvendes i solceller, kan bruges til at skabe ekstremt tynde nanotråde på flere tusindedele af en millimeter i længden. Disse tråde efterligner strukturen af øjets lange, tynde fotoreceptorceller, siger medforfatter Zhiyong Fan, der er elektronik- og computeringeniør ved Hong Kong University of Science and Technology, som er medforfatter til undersøgelsen. “Men problemet er: Hvordan kan vi fremstille et array af nanotråde i et halvkugleformet substrat for at danne denne halvkugleformede nethinde?”, tilføjer han. Det er vigtigt at konstruere en buet nethinde, fordi lyset først rammer den efter at have passeret gennem en buet linse. “Når man forsøger at afbilde noget, er det billede, der dannes efter linsen, faktisk buet”, siger Hongrui Jiang, der er elektroingeniør ved University of Wisconsin-Madison, og som har gennemgået den nye artikel, men som ikke var direkte involveret i arbejdet. “Hvis man har en flad sensor, kan billedet ikke fokuseres meget skarpt.” Nethinden er buet, men elektroniske lyssensorer er stive og flade.
For at løse problemet deformerede Fan og hans kolleger blød aluminiumsfolie til en halvkugleform. Derefter behandlede de metallet med en elektrokemisk proces, der omdannede det til en isolator kaldet aluminiumoxid. Denne proces efterlod også materialet fyldt med porer i nanoskala. Resultatet var, at forskerne stod tilbage med en buet halvkugle, der var forsynet med bekvemme, tætte klyngehuller, hvori de kunne “dyrke” perovskit-nanotråde. “Tætheden af nanotrådene er meget høj,” siger Jiang. “Den er sammenlignelig – den er faktisk endnu højere – end tætheden af fotoreceptorerne i menneskers øjne.”
Når de havde deres buede “nethinde”, indarbejdede forskerne den i et kunstigt øje, som omfattede en buet linse foran. Inspireret af den specialiserede væske i et rigtigt øje fyldte holdet sin biomimetiske version med en ionisk væske, en type flydende salt, hvori ladede partikler kan bevæge sig. “En meget vigtig komponent indeni er i det hulrum, vi fyldte ioniske væsker”, siger Fan. “Når disse nanotråde genererer ladninger, vil ladningen blive udvekslet med nogle ioner.” Denne elektriske udveksling gør det muligt for perovskit-nanotrådene at udføre den elektrokemiske funktion at detektere lys og sende dette signal til ekstern billedbehandlingselektronik.
Da holdet testede det kunstige øje, lykkedes det at behandle lysmønstre på så lidt som 19 millisekunder – halvdelen af den tid, som et menneskeligt øje har brug for. Og det producerede billeder, der havde en større kontrast og klarere kanter end dem, der blev genereret af en flad billedsensor med et tilsvarende antal pixels. På nogle måder var det kunstige øje bedre end det naturlige syn: det kunne opfange et større udvalg af bølgelængder og manglede en blind plet.
Fan håber at kunne samarbejde med medicinske forskere om at bygge proteser baseret på hans teams design. Det kan dog kræve meget mere udvikling. Det kunstige øje er “virkelig elegant; det ligner et fantastisk arbejde”, siger Jessy Dorn, vicepræsident for kliniske og videnskabelige anliggender hos det biomedicinske firma Second Sight, som ikke var involveret i forskningen. “Men lad være med at tale om, hvordan det muligvis kan forbindes med det menneskelige visuelle system.” Hun arbejder på udstyr til behandling af blindhed, herunder en nethindeprotese kaldet Argus II, og hun påpeger, at udviklingen af den elektroniske grænseflade kun er det første skridt. En sådan anordning vil skulle interagere med den menneskelige hjerne for at producere billeder. “Det er en af de større udfordringer: hvordan man får en hvilken som helst form for højopløsningsgrænseflade sikkert og pålideligt implanteret og derefter arbejder med det menneskelige visuelle system.”
Dertil kommer, at der findes forskellige typer blindhed, og at perfekte øjne ikke altid giver et perfekt syn. For eksempel er hjernens udvikling i spæd- og barndommen afgørende for at behandle visuelle input – så en person, der er født blind, har måske aldrig den hjerneforbindelse, der er nødvendig for at kunne se gennem proteser senere i livet. Dorn bemærker, at modtagerne af Argus II-implantatet alle er voksne, som har mistet deres syn meget senere. Og selv de har forskellige niveauer af succes: Nogle får kun evnen til at skelne mellem lys og skygge, mens andre kan behandle former. Alligevel siger hun, at enhver visuel forbindelse til omgivelserne kan resultere i større uafhængighed og større bevægelsesfrihed. Og proteser er ikke den eneste værdifulde anvendelse af kunstige øjne: Sådanne anordninger kunne have umiddelbare anvendelser inden for robotsyn.”
“At efterligne de naturlige øjne har været en drøm for mange optiske ingeniører”, siger Jiang og bemærker, at nogle forskere forsøger at efterligne pattedyrs øjne, og at andre arbejder med insektlignende sammensatte øjne. Området er endelig begyndt at få reelle gennembrud, tilføjer han. “Jeg tror, at vi om ca. 10 år vil se nogle meget håndgribelige praktiske anvendelser af disse bioniske øjne.”