Ihmissilmä on hienostunut instrumentti: kuvat tulevat pallon etupuolella olevan kaarevan linssin läpi ja kulkevat sen tahmean lasiaisnesteen läpi ennen kuin ne saavuttavat valolle herkän verkkokalvon, joka välittää signaalin näköhermoon, joka kuljettaa kuvan aivoihin. Insinöörit ovat yrittäneet jäljitellä tätä rakennetta noin vuosikymmenen ajan. Nyt uusi tekosilmä jäljittelee onnistuneesti luonnollisen instrumentin pallomaista muotoa. Tutkijat toivovat, että tämä saavutus voisi johtaa terävämpään robottinäköön ja proteesilaitteisiin. Kehitystä käsittelevä artikkeli julkaistiin keskiviikkona Nature-lehdessä.
Tutkimus perustui siihen, että perovskiitista, aurinkokennoissa käytettävästä johtavasta ja valoherkästä materiaalista, voidaan valmistaa erittäin ohuita, useita millimetrin tuhannesosia pitkiä nanolankoja. Nämä langat jäljittelevät silmän pitkien, ohuiden valoreseptorisolujen rakennetta, sanoo tutkimuksen toinen kirjoittaja Zhiyong Fan, elektroniikka- ja tietokoneinsinööri Hongkongin tiede- ja teknologiayliopistossa. “Vaikeutena on kuitenkin se, miten voimme valmistaa nanolankojen joukon puolipallonmuotoiseen alustaan, jotta voimme muodostaa tämän puolipallonmuotoisen verkkokalvon”, hän lisää. Kaarevan verkkokalvon rakentaminen on tärkeää, koska valo osuu siihen vasta, kun se on kulkenut kaarevan linssin läpi. “Kun yrität kuvata jotakin, linssin jälkeen muodostuva kuva on itse asiassa kaareva”, sanoo Hongrui Jiang, Wisconsin-Madisonin yliopiston sähköinsinööri Hongrui Jiang, joka tarkasteli uutta artikkelia mutta ei osallistunut suoraan työhön. “Jos sensori on litteä, kuvaa ei voi tarkentaa kovin terävästi.” Verkkokalvo on kaareva, mutta elektroniset valosensorit ovat jäykkiä ja litteitä.
Ongelman ratkaisemiseksi Fan ja hänen kollegansa muotoilivat pehmeän alumiinifolion puolipallon muotoiseksi. Sitten he käsittelivät metallia sähkökemiallisella prosessilla, joka muutti sen eristeeksi nimeltä alumiinioksidi. Prosessi jätti materiaaliin myös nanokokoisia huokosia. Tuloksena tutkijoille jäi kaareva puolipallo, jossa oli sopivasti tiheästi ryhmittyneitä reikiä, joihin he pystyivät “kasvattamaan” perovskiitti-nanodrimeja. “Nanolankojen tiheys on hyvin suuri”, Jiang sanoo. “Se on verrattavissa – se on itse asiassa jopa suurempi kuin ihmissilmän valoreseptoreiden tiheys.”
Kun heillä oli kaareva “verkkokalvo”, tutkijat liittivät sen keinotekoiseen silmään, jonka etuosassa oli kaareva linssi. Oikean silmän erikoistuneen nesteen innoittamana ryhmä täytti biomimeettisen versionsa ionisella nesteellä, joka on eräänlainen nestemäinen suola, jossa varatut hiukkaset voivat liikkua. “Yksi hyvin tärkeä komponentti sisällä on ontelossa, jonka täytimme ioninesteellä”, Fan sanoo. “Kun nämä nanolangat tuottavat varauksia, varaus vaihtuu joidenkin ionien kanssa.” Tämän sähköisen vaihdon ansiosta perovskiitti-nanodrimat voivat suorittaa sähkökemiallisen toiminnon, joka havaitsee valon ja lähettää signaalin ulkoiselle kuvankäsittelyelektroniikalle.
Kun työryhmä testasi tekosilmää, se onnistui käsittelemään valokuvioita vain 19 millisekunnissa – puolessa ajassa ihmissilmän vaatimasta ajasta. Ja se tuotti kuvia, joissa oli suurempi kontrasti ja selkeämmät reunat kuin vastaavalla pikselimäärällä varustetun litteän kuvakennon tuottamissa kuvissa. Joissakin asioissa tekosilmä paransi luonnollista näkökykyä: se pystyi havaitsemaan laajemman aallonpituusalueen, eikä sillä ollut sokeaa pistettä.
Fan toivoo voivansa tehdä yhteistyötä lääketieteen tutkijoiden kanssa rakentaakseen proteesilaitteita, jotka perustuvat hänen ryhmänsä suunnitteluun. Se voisi kuitenkin vaatia paljon lisää kehitystyötä. Tekosilmä on “todella tyylikäs; se näyttää hämmästyttävältä työltä”, sanoo biolääketieteellisen Second Sight -yrityksen kliinisistä ja tieteellisistä asioista vastaava varajohtaja Jessy Dorn, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. “Mutta ei puhuta siitä, miten se voitaisiin mahdollisesti yhdistää ihmisen näköjärjestelmään.” Hän työskentelee sokeutta hoitavien laitteiden, kuten Argus II -nimisen verkkokalvoproteesin parissa ja huomauttaa, että elektronisen käyttöliittymän kehittäminen on vasta ensimmäinen askel. Tällaisen laitteen on oltava vuorovaikutuksessa ihmisen aivojen kanssa, jotta se voi tuottaa kuvia. “Se on yksi suuremmista haasteista: miten saada minkäänlainen korkearesoluutioinen käyttöliittymä istutettua turvallisesti ja luotettavasti ja miten se sitten toimii ihmisen näköjärjestelmän kanssa.”
Lisäksi sokeutta on erityyppisiä, eivätkä täydelliset silmät välttämättä aina tuota täydellistä näköä. Esimerkiksi aivojen kehitys imeväis- ja lapsuusiän aikana on ratkaisevan tärkeää visuaalisen informaation käsittelylle, joten sokeana syntyneellä henkilöllä ei ehkä koskaan ole aivojen johdotusta, jota tarvitaan proteesisilmien kautta näkemiseen myöhemmin elämässä. Dorn toteaa, että Argus II -implantin saajat ovat kaikki aikuisia, jotka ovat menettäneet näkönsä paljon myöhemmin. Heidänkin menestyksensä vaihtelee: jotkut pystyvät erottamaan vain valon ja varjon, kun taas toiset pystyvät käsittelemään muotoja. Hän sanoo kuitenkin, että mikä tahansa näköyhteys ympäristöön voi lisätä itsenäisyyttä ja liikkumisvapautta. Eivätkä proteesit ole ainoa arvokas keinosilmien sovellus: tällaisilla laitteilla voisi olla välittömiä sovelluksia robottinäköön.
“Luonnollisten silmien jäljittely on ollut monien optisten insinöörien unelma”, Jiang sanoo ja huomauttaa, että jotkut tutkijat pyrkivät jäljittelemään nisäkkäiden silmiä ja toiset työskentelevät hyönteisten kaltaisten yhdistelmäsilmien parissa. Hän lisää, että alalla on vihdoin alkanut tapahtua todellisia läpimurtoja. “Uskon, että noin 10 vuoden kuluttua näemme näiden bionisten silmien konkreettisia käytännön sovelluksia.”