人間の目は高度な道具です。画像は球体の前部にある曲がったレンズから入り、粘着性のある硝子体を通過して光に敏感な網膜に達し、その信号を視神経に中継して脳に画像を運びます。 この構造を再現しようと、技術者たちは10年ほど前から試みてきた。 今回、新しい人工眼球が、天然の眼球の球状を模倣することに成功した。 研究者らは、この成果により、より鮮明なロボットビジョンや人工装具の開発につながると期待している。 この研究は、太陽電池に使用される導電性で感光性の材料であるペロブスカイトを使用して、長さが数千分の1ミリメートルの極めて細いナノワイヤーを作成できることを基盤としています。 このワイヤーは、目の細長い光受容細胞の構造を模倣していると、研究共著者である香港科学技術大学の電子・コンピューター工学者、Zhiyong Fan氏は言う。 「しかし、この半球状の網膜を形成するために、半球状の基板にナノワイヤのアレイをどのように作製するかが問題なのです」と、同教授は付け加えている。 湾曲したレンズを通過した光だけが網膜に当たるため、湾曲した網膜を構築することが重要なのです。 「ウィスコンシン大学マディソン校の電気工学者であるHongrui Jiang氏は、この論文の査読を行ったが、この研究には直接参加していない。 「と、ウィスコンシン大学マディソン校の電気工学者であるHongrui Jiang氏は言います。「もし、平らなセンサーを持っているなら、画像は非常にシャープに焦点を合わせることができません。 網膜は湾曲していますが、電子光センサーは硬くて平らです。

この問題を解決するために、ファン氏と彼の同僚は、柔らかいアルミホイルを半球状に変形させました。 そして、この金属を電気化学的に処理し、酸化アルミニウムと呼ばれる絶縁体に変換した。 このとき、アルミ箔にはナノスケールの孔があいた。 その結果、ペロブスカイトナノワイヤーを「成長」させるのに便利な、孔が密集した半球状の曲面が得られた。 「ナノワイヤーの密度が非常に高いのです」と江教授は言う。 「これは、人間の目の光受容体の密度に匹敵し、実際にはさらに高いのです」

曲がった「網膜」を手に入れた科学者たちは、それを、前面に曲がったレンズを持つ人工眼球に組み込みました。 実際の目の中にある特殊な液体にヒントを得て、研究チームは生体模倣型の人工眼球にイオン液体を充填しました。 「内部の非常に重要な要素の1つは、イオン液体を充填した空洞です」と范は言う。 “このナノワイヤーが電荷を発生させると、その電荷はいくつかのイオンと交換されます。” この電気交換によって、ペロブスカイトナノワイヤは、光を検出し、その信号を外部の画像処理電子機器に送るという電気化学的機能を果たすことができます。

研究チームが人工眼をテストしたところ、人間の眼の半分である19ミリ秒という短い時間で光のパターンを処理することに成功しました。 また、同程度の画素数の平面イメージセンサーで作られた画像よりも、コントラストが高く、エッジがくっきりした画像を作ることができた。 さらに、この人工眼球は、より広い波長域をとらえることができ、死角がないなど、ある意味では自然の視覚を向上させることができた。 しかし、そのためには、さらに多くの開発が必要である。 この人工眼球は「実にエレガントで、素晴らしい出来栄えだ」と、バイオメディカル企業セカンドサイトの臨床・科学担当副社長ジェシー・ドーン氏は言う（同氏はこの研究には関与していない）。 「しかし、それが人間の視覚システムにどのように接続される可能性があるかについては、話をしないでください」。 彼女は、Argus IIと呼ばれる網膜補綴を含む失明治療機器に取り組んでおり、電子インターフェースの開発は最初のステップに過ぎないと指摘している。 このような装置は、画像を生成するために人間の脳と相互作用する必要があります。 「これは大きな課題の 1 つで、どのような種類の高解像度インターフェイスでも安全かつ確実に移植し、人間の視覚システムと連携させるかです」

さらに、失明にはさまざまな種類があり、完全な目が完全な視力を生むとは限りません。 例えば、視覚的な入力を処理するためには、幼児期や児童期の脳の発達が重要です。そのため、生まれつき目の見えない人は、後に義眼で見るために必要な脳の配線ができない可能性があります。 ドーンは、Argus IIインプラントの使用者はすべて、かなり後になってから視力を失った成人であると指摘する。 ある人は光と影を区別する能力だけを獲得し、ある人は図形を処理することができるようになりました。 それでも、環境と視覚的なつながりを持つことで、より自立し、より自由に動けるようになるのだと彼女は言います。 人工眼球の価値ある応用は義眼だけではありません。このようなデバイスは、ロボットビジョンに直ちに応用できるかもしれません」

「自然の目を模倣することは、多くの光学技術者の夢でした」とJiang氏は言い、哺乳類の目を模倣しようとする研究者もいれば、昆虫に似た複眼で研究する者もいると述べています。 この分野では、ようやく本当の意味でのブレークスルーが起き始めている、と彼は言う。 「10年後には、これらのバイオニックアイの非常に具体的な実用化が見られると思います」

。