L’œil humain est un instrument sophistiqué : les images entrent par une lentille incurvée à l’avant de la sphère et traversent son liquide vitreux gluant avant d’atteindre la rétine sensible à la lumière – qui relaie le signal au nerf optique qui transmet l’image au cerveau. Les ingénieurs tentent de reproduire cette structure depuis une dizaine d’années. Aujourd’hui, un nouvel œil artificiel imite avec succès la forme sphérique de l’instrument naturel. Les chercheurs espèrent que cette réalisation pourrait déboucher sur une vision robotique et des prothèses plus nettes. Un article sur ce développement a été publié mercredi dans Nature.
La recherche s’est appuyée sur le fait que la pérovskite, un matériau conducteur et sensible à la lumière utilisé dans les cellules solaires, peut être utilisée pour créer des nanofils extrêmement fins de plusieurs millièmes de millimètre de longueur. Ces fils imitent la structure des cellules photoréceptrices longues et fines de l’œil, explique Zhiyong Fan, co-auteur de l’étude et ingénieur en électronique et informatique à l’université des sciences et technologies de Hong Kong. “Mais la difficulté est la suivante : comment fabriquer un réseau de nanofils dans un substrat hémisphérique pour former cette rétine hémisphérique ? ajoute-t-il. La construction d’une rétine incurvée est importante car la lumière ne l’atteint qu’après avoir traversé une lentille incurvée. “Lorsque vous essayez d’imager quelque chose, l’image qui se forme après la lentille est en fait incurvée”, explique Hongrui Jiang, ingénieur électricien à l’université du Wisconsin-Madison, qui a examiné le nouvel article mais n’a pas été directement impliqué dans les travaux. “Si vous avez un capteur plat, alors l’image ne peut pas être focalisée très précisément”. La rétine est incurvée, mais les capteurs de lumière électroniques sont rigides et plats.
Pour résoudre le problème, Fan et ses collègues ont déformé une feuille d’aluminium souple en une forme hémisphérique. Puis ils ont traité le métal avec un processus électrochimique qui l’a converti en un isolant appelé oxyde d’aluminium. Ce processus a également laissé le matériau parsemé de pores à l’échelle nanométrique. Les chercheurs se sont ainsi retrouvés avec un hémisphère incurvé présentant des trous pratiques et denses dans lesquels ils ont pu faire “pousser” des nanofils de pérovskite. “La densité des nanofils est très élevée”, explique Jiang. “Elle est comparable – elle est même supérieure – à la densité des photorécepteurs des yeux humains.”
Une fois qu’ils ont eu leur “rétine” incurvée, les scientifiques l’ont incorporée dans un œil artificiel qui comprenait une lentille incurvée à l’avant. Inspirée par le liquide spécialisé présent dans un véritable œil, l’équipe a rempli sa version biomimétique d’un liquide ionique, un type de sel liquide dans lequel des particules chargées peuvent se déplacer. “Un composant très important à l’intérieur est la cavité dans laquelle nous avons rempli les liquides ioniques”, explique Fan. “Une fois que ces nanofils génèrent des charges, la charge sera échangée avec certains ions”. Cet échange électrique permet aux nanofils de pérovskite de remplir la fonction électrochimique de détection de la lumière et d’envoyer ce signal à l’électronique externe de traitement de l’image.
Lorsque l’équipe a testé l’œil artificiel, il est parvenu à traiter des motifs lumineux en seulement 19 millisecondes, soit la moitié du temps requis par un œil humain. Et il a produit des images plus contrastées et aux bords plus nets que celles générées par un capteur d’image plat avec un nombre similaire de pixels. À certains égards, l’œil artificiel a amélioré la vision naturelle : il pouvait capter une plus grande gamme de longueurs d’onde et n’avait pas d’angle mort.
Fan espère travailler avec des chercheurs médicaux pour construire des prothèses basées sur la conception de son équipe. Cependant, cela pourrait nécessiter beaucoup plus de développement. L’œil artificiel est “vraiment élégant ; il ressemble à un travail incroyable”, déclare Jessy Dorn, vice-président des affaires cliniques et scientifiques de la société biomédicale Second Sight, qui n’a pas participé à la recherche. “Mais ne parlez pas de la façon dont il pourrait éventuellement être connecté au système visuel humain”. Elle travaille sur des dispositifs de traitement de la cécité, notamment une prothèse rétinienne appelée Argus II, et souligne que le développement de l’interface électronique n’est que la première étape. Un tel dispositif devra interagir avec le cerveau humain pour produire des images. “C’est l’un des plus grands défis : comment obtenir n’importe quel type d’interface haute résolution implantée de manière sûre et fiable, puis travailler avec le système visuel humain.”
De plus, il existe différents types de cécité, et des yeux parfaits ne produisent pas toujours une vision parfaite. Par exemple, le développement du cerveau pendant la petite enfance et l’enfance est crucial pour le traitement des données visuelles. Ainsi, une personne aveugle de naissance peut ne jamais avoir le câblage cérébral nécessaire pour voir à travers des prothèses oculaires plus tard dans sa vie. M. Dorn note que les porteurs de l’implant Argus II sont tous des adultes qui ont perdu la vue beaucoup plus tard. Et même eux ont des niveaux de réussite différents : certains n’acquièrent que la capacité de différencier l’ombre et la lumière, tandis que d’autres peuvent traiter les formes. Quoi qu’il en soit, elle affirme que tout lien visuel avec l’environnement peut se traduire par une plus grande indépendance et une plus grande liberté de mouvement. Et les prothèses ne sont pas la seule application intéressante des yeux artificiels : de tels dispositifs pourraient avoir des applications immédiates dans la vision robotique.
“Imiter les yeux naturels a été un rêve pour de nombreux ingénieurs optiques”, dit Jiang, notant que certains chercheurs cherchent à imiter les yeux des mammifères et que d’autres travaillent avec des yeux composés semblables à ceux des insectes. Le domaine commence enfin à connaître de réelles avancées, ajoute-t-il. “Je pense que dans une dizaine d’années, nous devrions voir des applications pratiques très tangibles de ces yeux bioniques.”