Az emberi szem egy kifinomult eszköz: a képek a gömb elején lévő ívelt lencsén keresztül jutnak be, és áthaladnak a ragacsos üvegtesten, mielőtt elérik a fényérzékeny retinát, amely továbbítja a jelet a látóidegnek, amely továbbítja a képet az agyba. A mérnökök körülbelül egy évtizede próbálják lemásolni ezt a szerkezetet. Most egy új mesterséges szem sikeresen utánozza a természetes eszköz gömb alakját. A kutatók remélik, hogy ez az eredmény élesebb robotlátáshoz és protézisekhez vezethet. A fejlesztésről szóló tanulmány szerdán jelent meg a Nature-ben.
A kutatás arra épített, hogy a napelemekben használt vezető és fényérzékeny perovszkit anyagból rendkívül vékony, néhány ezredmilliméter hosszúságú nanodrótok készíthetők. Ezek a drótok a szem hosszú, vékony fotoreceptorsejtjeinek szerkezetét utánozzák, mondja a tanulmány társszerzője, Zhiyong Fan, a Hongkongi Tudományos és Technológiai Egyetem elektronikai és számítástechnikai mérnöke. “A nehézség azonban az: hogyan tudjuk a nanodrótok tömbjét egy félgömb alakú szubsztrátumban előállítani, hogy kialakítsuk ezt a félgömb alakú retinát?” – teszi hozzá. Az ívelt retina megépítése azért fontos, mert a fény csak egy ívelt lencsén való áthaladás után éri el azt. “Amikor megpróbálunk valamit leképezni, a lencse után kialakuló kép valójában görbült” – mondja Hongrui Jiang, a Wisconsin-Madison Egyetem villamosmérnöke, aki véleményezte az új tanulmányt, de közvetlenül nem vett részt a munkában. “Ha lapos az érzékelő, akkor a képet nem lehet nagyon élesen fókuszálni”. A retina ívelt, de az elektronikus fényérzékelők merevek és laposak.
A probléma megoldására Fan és kollégái puha alumíniumfóliát deformáltak félgömb alakúra. Ezután egy elektrokémiai eljárással kezelték a fémet, amely alumínium-oxid nevű szigetelővé alakította át. Ez a folyamat nanoszintű pórusokkal tarkított anyagot is hagyott maga után. Ennek eredményeképpen a kutatóknak egy olyan ívelt félgömb maradt, amely kényelmes, sűrűn csoportosuló lyukakkal rendelkezett, amelyekben perovszkit nanodrótokat tudtak “növeszteni”. “A nanodrótok sűrűsége nagyon nagy” – mondja Jiang. “Összehasonlítható – valójában még nagyobb, mint az emberi szem fotoreceptorainak sűrűsége.”
Amikor elkészült az ívelt “retinájuk”, a tudósok beépítették azt egy mesterséges szembe, amely elöl egy ívelt lencsét tartalmazott. A csapat a valódi szemben lévő speciális folyadéktól inspirálva biomimetikus változatát ionos folyadékkal töltötte fel, egy olyan típusú folyékony sóval, amelyben a töltött részecskék képesek mozogni. “Az egyik nagyon fontos belső komponens az üregben van, amit ionos folyadékkal töltöttünk meg” – mondja Fan. “Amint ezek a nanodrótok töltést generálnak, a töltés kicserélődik néhány ionnal”. Ez az elektromos csere teszi lehetővé, hogy a perovszkit nanodrótok elvégezzék a fény érzékelésének elektrokémiai funkcióját, és elküldjék ezt a jelet a külső képfeldolgozó elektronikának.
Amikor a csapat tesztelte a mesterséges szemet, az mindössze 19 milliszekundum alatt tudta feldolgozni a fénymintákat – fele annyi idő alatt, mint amennyit egy emberi szem igényel. És olyan képeket készített, amelyek nagyobb kontraszttal és tisztább élekkel rendelkeztek, mint a hasonló pixelszámú, lapos képérzékelővel előállított képek. Bizonyos szempontból a mesterséges szem javított a természetes látáson: nagyobb hullámhossz-tartományt tudott érzékelni, és nem volt vakfoltja.
Fan reméli, hogy orvosi kutatókkal együttműködve protéziseket készíthet a csapata tervei alapján. Ehhez azonban sokkal több fejlesztésre lenne szükség. A mesterséges szem “igazán elegáns; elképesztő munkának tűnik” – mondja Jessy Dorn, a Second Sight nevű orvosbiológiai vállalat klinikai és tudományos ügyekért felelős alelnöke, aki nem vett részt a kutatásban. “De arról ne beszéljünk, hogyan lehetne esetleg összekapcsolni az emberi látórendszerrel”. Dorn vakságot kezelő eszközökön dolgozik, köztük az Argus II nevű retinaprotézisen, és rámutat, hogy az elektronikus interfész kifejlesztése csak az első lépés. Egy ilyen eszköznek kölcsönhatásba kell lépnie az emberi aggyal a képek előállításához. “Ez az egyik nagyobb kihívás: hogyan lehet bármilyen nagy felbontású interfészt biztonságosan és megbízhatóan beültetni, majd együttműködni az emberi látórendszerrel.”
A vakságnak ráadásul különböző típusai vannak, és a tökéletes szem nem mindig eredményez tökéletes látást. Például a csecsemő- és gyermekkori agyfejlődés döntő fontosságú a vizuális inputok feldolgozásához – így egy vakon született személynek lehet, hogy soha nem lesz meg az az agyi huzalozás, ami ahhoz szükséges, hogy később, életében a műszemeken keresztül lásson. Dorn megjegyzi, hogy az Argus II implantátum kedvezményezettjei mind felnőttek, akik jóval később veszítették el látásukat. És még ők is különböző mértékben sikeresek: egyesek csak a fény és az árnyék megkülönböztetésének képességét szerzik meg, míg mások képesek a formák feldolgozására. Mégis azt mondja, hogy a környezettel való bármilyen vizuális kapcsolat nagyobb függetlenséget és nagyobb mozgásszabadságot eredményezhet. És nem a protézisek jelentik a mesterséges szemek egyetlen értékes alkalmazását: az ilyen eszközöknek azonnali alkalmazása lehet a robotok látásában.
“A természetes szemek utánzása sok optikai mérnök álma volt” – mondja Jiang, megjegyezve, hogy egyes kutatók az emlősök szemének utánzására törekednek, mások pedig rovarszerű összetett szemekkel dolgoznak. Hozzáteszi, hogy a terület végre kezd valódi áttörésekhez jutni. “Úgy gondolom, hogy körülbelül 10 éven belül láthatunk néhány nagyon kézzelfogható gyakorlati alkalmazást ezekből a bionikus szemekből.”