Das menschliche Auge ist ein ausgeklügeltes Instrument: Bilder treten durch eine gekrümmte Linse an der Vorderseite der Kugel ein und passieren die klebrige Glaskörperflüssigkeit, bevor sie die lichtempfindliche Netzhaut erreichen, die das Signal an den Sehnerv weiterleitet, der das Bild an das Gehirn weitergibt. Seit etwa einem Jahrzehnt versuchen Ingenieure, diese Struktur nachzubilden. Jetzt ist es einem neuen künstlichen Auge gelungen, die kugelförmige Form des natürlichen Instruments nachzuahmen. Die Forscher hoffen, dass diese Errungenschaft zu schärferem robotischen Sehen und Prothesen führen könnte. Ein Artikel über die Entwicklung wurde am Mittwoch in Nature veröffentlicht.
Die Forschung basiert auf der Tatsache, dass Perowskit, ein leitfähiges und lichtempfindliches Material, das in Solarzellen verwendet wird, dazu verwendet werden kann, extrem dünne Nanodrähte mit einer Länge von einigen tausendstel Millimetern herzustellen. Diese Drähte ahmen die Struktur der langen, dünnen Fotorezeptorzellen des Auges nach, sagt Studienmitautor Zhiyong Fan, ein Elektronik- und Computeringenieur an der Hong Kong University of Science and Technology. “Aber die Schwierigkeit ist: Wie können wir eine Anordnung der Nanodrähte in einem halbkugelförmigen Substrat herstellen, um diese halbkugelförmige Netzhaut zu bilden?”, fügt er hinzu. Die Konstruktion einer gekrümmten Netzhaut ist wichtig, weil das Licht erst nach dem Durchgang durch eine gekrümmte Linse auf sie trifft. “Wenn man versucht, etwas abzubilden, ist das Bild, das nach der Linse entsteht, tatsächlich gekrümmt”, sagt Hongrui Jiang, Elektroingenieur an der University of Wisconsin-Madison, der die neue Arbeit begutachtet hat, aber nicht direkt an ihr beteiligt war. “Wenn man einen flachen Sensor hat, kann das Bild nicht sehr scharf fokussiert werden. Die Netzhaut ist gekrümmt, aber elektronische Lichtsensoren sind starr und flach.
Um das Problem zu lösen, verformten Fan und seine Kollegen weiche Aluminiumfolie in eine halbkugelförmige Form. Dann behandelten sie das Metall mit einem elektrochemischen Verfahren, das es in einen Isolator namens Aluminiumoxid umwandelte. Durch diesen Prozess blieb das Material mit nanoskaligen Poren übersät. Als Ergebnis erhielten die Forscher eine gekrümmte Halbkugel mit bequemen, dicht gepackten Löchern, in denen sie Perowskit-Nanodrähte “wachsen” lassen konnten. “Die Dichte der Nanodrähte ist sehr hoch”, sagt Jiang. “Sie ist vergleichbar – sie ist sogar höher – als die Dichte der Photorezeptoren im menschlichen Auge.”
Nachdem sie ihre gebogene “Netzhaut” hatten, bauten die Wissenschaftler sie in ein künstliches Auge ein, das eine gebogene Linse an der Vorderseite enthielt. Inspiriert von der speziellen Flüssigkeit in einem echten Auge, füllte das Team seine biomimetische Version mit einer ionischen Flüssigkeit, einer Art flüssigem Salz, in dem sich geladene Teilchen bewegen können. “Eine sehr wichtige Komponente im Inneren ist der Hohlraum, in den wir die ionische Flüssigkeit gefüllt haben”, sagt Fan. “Sobald diese Nanodrähte Ladungen erzeugen, wird die Ladung mit einigen Ionen ausgetauscht.” Dieser elektrische Austausch ermöglicht es den Perowskit-Nanodrähten, die elektrochemische Funktion der Lichterkennung zu erfüllen und das Signal an eine externe Bildverarbeitungselektronik zu senden.
Als das Team das künstliche Auge testete, konnte es Lichtmuster in nur 19 Millisekunden verarbeiten – der Hälfte der Zeit, die ein menschliches Auge benötigt. Und es erzeugte Bilder, die einen höheren Kontrast und klarere Kanten aufwiesen als die von einem flachen Bildsensor mit einer ähnlichen Anzahl von Pixeln erzeugten Bilder. In mancher Hinsicht übertraf das künstliche Auge das natürliche Sehen: Es konnte eine größere Bandbreite an Wellenlängen erfassen und hatte keinen blinden Fleck.
Fan hofft, mit medizinischen Forschern zusammenzuarbeiten, um Prothesen auf der Grundlage des Designs seines Teams zu bauen. Dies könnte jedoch noch viel Entwicklungsarbeit erfordern. Das künstliche Auge ist “wirklich elegant; es sieht nach erstaunlicher Arbeit aus”, sagt Jessy Dorn, Vizepräsidentin für klinische und wissenschaftliche Angelegenheiten beim Biomedizinunternehmen Second Sight, die nicht an der Forschung beteiligt war. “Aber man sollte nicht darüber reden, wie es mit dem menschlichen Sehsystem verbunden sein könnte.” Sie arbeitet an Geräten zur Behandlung von Blindheit, darunter eine Netzhautprothese namens Argus II, und weist darauf hin, dass die Entwicklung der elektronischen Schnittstelle nur der erste Schritt ist. Ein solches Gerät muss mit dem menschlichen Gehirn interagieren, um Bilder zu erzeugen. “Das ist eine der größeren Herausforderungen: Wie bekommt man eine hochauflösende Schnittstelle sicher und zuverlässig implantiert und arbeitet dann mit dem menschlichen Sehsystem zusammen?”
Außerdem gibt es verschiedene Arten von Blindheit, und perfekte Augen erzeugen nicht immer perfekte Sicht. So ist beispielsweise die Entwicklung des Gehirns im Säuglings- und Kindesalter entscheidend für die Verarbeitung von visuellen Informationen, so dass eine Person, die blind geboren wird, möglicherweise nie die Gehirnverdrahtung erhält, die erforderlich ist, um später im Leben durch eine Augenprothese zu sehen. Dorn stellt fest, dass die Empfänger des Argus II-Implantats allesamt Erwachsene sind, die ihre Sehkraft erst viel später verloren haben. Und selbst bei ihnen ist der Erfolg unterschiedlich: Einige können nur zwischen Licht und Schatten unterscheiden, während andere Formen erkennen können. Dennoch sagt sie, dass jede visuelle Verbindung zur Umwelt zu mehr Unabhängigkeit und größerer Bewegungsfreiheit führen kann. Und Prothesen sind nicht die einzige wertvolle Anwendung von künstlichen Augen: solche Geräte könnten unmittelbare Anwendungen im Bereich des Roboter-Sehens haben.
“Die Nachahmung der natürlichen Augen war ein Traum für viele Optik-Ingenieure”, sagt Jiang und merkt an, dass einige Forscher versuchen, die Augen von Säugetieren zu imitieren und dass andere mit insektenähnlichen zusammengesetzten Augen arbeiten. Er fügt hinzu, dass auf diesem Gebiet endlich echte Durchbrüche zu verzeichnen sind. “Ich denke, dass wir in etwa 10 Jahren einige sehr greifbare praktische Anwendungen für diese bionischen Augen sehen werden”
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