L’occhio umano è uno strumento sofisticato: le immagini entrano attraverso una lente curva nella parte anteriore della sfera e passano attraverso il suo liquido appiccicoso e vitreo prima di raggiungere la retina sensibile alla luce, che trasmette il segnale al nervo ottico che porta l’immagine al cervello. Gli ingegneri hanno cercato di replicare questa struttura per circa un decennio. Ora un nuovo occhio artificiale imita con successo la forma sferica dello strumento naturale. I ricercatori sperano che questo risultato possa portare a una visione robotica più nitida e a dispositivi protesici. Un documento sullo sviluppo è stato pubblicato mercoledì su Nature.

La ricerca ha costruito sul fatto che la perovskite, un materiale conduttivo e sensibile alla luce utilizzato nelle celle solari, può essere utilizzato per creare nanofili estremamente sottili di diversi millesimi di millimetro di lunghezza. Questi fili imitano la struttura delle cellule fotorecettrici lunghe e sottili dell’occhio, dice il co-autore dello studio Zhiyong Fan, un ingegnere elettronico e informatico dell’Università di Scienza e Tecnologia di Hong Kong. “Ma la difficoltà è: come possiamo fabbricare un array di nanofili in un substrato emisferico per formare questa retina emisferica? Costruire una retina curva è importante perché la luce la colpisce solo dopo essere passata attraverso una lente curva. “Quando si tenta di immaginare qualcosa, l’immagine che si forma dopo la lente è in realtà curva”, dice Hongrui Jiang, un ingegnere elettrico presso l’Università del Wisconsin-Madison, che ha rivisto il nuovo documento ma non è stato direttamente coinvolto nel lavoro. “Se hai un sensore piatto, allora l’immagine non può essere messa a fuoco in modo molto nitido”. La retina è curva, ma i sensori di luce elettronici sono rigidi e piatti.

Per risolvere il problema, Fan e i suoi colleghi hanno deformato un foglio di alluminio morbido in una forma emisferica. Poi hanno trattato il metallo con un processo elettrochimico che lo ha convertito in un isolante chiamato ossido di alluminio. Questo processo ha anche lasciato il materiale costellato di pori su scala nanometrica. Come risultato, i ricercatori sono rimasti con una semisfera curva che aveva convenientemente fori densamente raggruppati in cui potevano “crescere” nanofili di perovskite. “La densità dei nanofili è molto alta”, dice Jiang. “È paragonabile – in realtà è anche più alta – della densità dei fotorecettori negli occhi umani”.

Una volta che avevano la loro “retina” curva, gli scienziati l’hanno incorporata in un occhio artificiale che includeva una lente curva nella parte anteriore. Ispirato dal liquido specializzato in un occhio reale, il team ha riempito la sua versione biomimetica con un liquido ionico, un tipo di sale liquido in cui le particelle cariche possono muoversi. “Un componente molto importante all’interno è nella cavità che abbiamo riempito di liquidi ionici”, dice Fan. “Una volta che questi nanofili generano delle cariche, la carica sarà scambiata con alcuni ioni”. Questo scambio elettrico permette ai nanofili di perovskite di svolgere la funzione elettrochimica di rilevare la luce e inviare il segnale all’elettronica esterna di elaborazione delle immagini.

Quando il team ha testato l’occhio artificiale, è riuscito a elaborare modelli di luce in appena 19 millisecondi, la metà del tempo richiesto da un occhio umano. E ha prodotto immagini che avevano un maggiore contrasto e bordi più chiari di quelli generati da un sensore di immagine piatto con un numero simile di pixel. In alcuni modi, l’occhio artificiale migliorava la visione naturale: poteva raccogliere una maggiore gamma di lunghezze d’onda e non aveva un punto cieco.

Fan spera di lavorare con ricercatori medici per costruire dispositivi protesici basati sul design del suo team. Fare ciò potrebbe richiedere molto più sviluppo, tuttavia. L’occhio artificiale è “davvero elegante; sembra un lavoro incredibile”, dice Jessy Dorn, vice presidente degli affari clinici e scientifici presso la società biomedica Second Sight, che non è stato coinvolto nella ricerca. “Ma non parlare di come potrebbe essere collegato al sistema visivo umano”. Lei lavora su dispositivi per il trattamento della cecità, tra cui una protesi retinica chiamata Argus II, e sottolinea che lo sviluppo dell’interfaccia elettronica è solo il primo passo. Un tale dispositivo dovrà interagire con il cervello umano per produrre immagini. “Questa è una delle sfide più grandi: come ottenere qualsiasi tipo di interfaccia ad alta risoluzione in modo sicuro e affidabile impiantato e poi lavorare con il sistema visivo umano.”

Inoltre, ci sono diversi tipi di cecità, e gli occhi perfetti non possono sempre produrre una visione perfetta. Per esempio, lo sviluppo del cervello durante l’infanzia e la fanciullezza è cruciale per elaborare l’input visivo, quindi una persona che nasce cieca potrebbe non avere mai il cablaggio cerebrale necessario per vedere attraverso gli occhi protesici più tardi nella vita. Dorn nota che i destinatari dell’impianto Argus II sono tutti adulti che hanno perso la vista molto più tardi. E anche loro hanno diversi livelli di successo: alcuni guadagnano solo la capacità di differenziare luce e ombra, mentre altri possono elaborare le forme. Tuttavia, lei dice che qualsiasi connessione visiva con l’ambiente può portare ad una maggiore indipendenza e ad una maggiore libertà di movimento. E le protesi non sono l’unica applicazione preziosa degli occhi artificiali: tali dispositivi potrebbero avere applicazioni immediate nella visione robotica.

“Imitare gli occhi naturali è stato un sogno per molti ingegneri ottici”, dice Jiang, notando che alcuni ricercatori cercano di imitare gli occhi dei mammiferi e che altri lavorano con quelli composti simili agli insetti. Il campo sta finalmente iniziando ad avere delle vere scoperte, aggiunge. “Penso che in circa 10 anni, dovremmo vedere alcune applicazioni pratiche molto tangibili di questi occhi bionici”.