Het menselijk oog is een verfijnd instrument: beelden komen binnen door een gebogen lens aan de voorkant van de bol en gaan door de kleverige, glasachtige vloeistof voordat ze het lichtgevoelige netvlies bereiken – dat het signaal doorgeeft aan de oogzenuw die het beeld naar de hersenen transporteert. Ingenieurs hebben ongeveer een decennium lang geprobeerd deze structuur na te bootsen. Nu slaagt een nieuw kunstmatig oog erin de bolvorm van het natuurlijke instrument na te bootsen. Onderzoekers hopen dat deze prestatie kan leiden tot een scherper robotzicht en prothesen. Een artikel over de ontwikkeling werd woensdag gepubliceerd in Nature.
Het onderzoek bouwde voort op het feit dat perovskiet, een geleidend en lichtgevoelig materiaal dat in zonnecellen wordt gebruikt, kan worden gebruikt om uiterst dunne nanodraden van enkele duizendsten van een millimeter lengte te maken. Deze draden bootsen de structuur na van de lange, dunne fotoreceptorcellen van het oog, zegt studiecoauteur Zhiyong Fan, een elektronica- en computeringenieur aan de Hong Kong University of Science and Technology. “Maar de moeilijkheid is: hoe kunnen we een array van nanodraden fabriceren in een halfrond substraat om dit halfronde netvlies te vormen?” voegt hij eraan toe. De constructie van een gebogen netvlies is belangrijk omdat licht het netvlies pas raakt nadat het door een gebogen lens is gegaan. “Wanneer je iets probeert af te beelden, is het beeld dat zich na de lens vormt eigenlijk gebogen,” zegt Hongrui Jiang, een elektrisch ingenieur aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, die het nieuwe artikel beoordeelde maar niet direct betrokken was bij het werk. “Als je een vlakke sensor hebt, dan kan het beeld niet erg scherp worden gesteld.” Het netvlies is gebogen, maar elektronische lichtsensoren zijn stijf en plat.
Om het probleem op te lossen, vervormden Fan en zijn collega’s zacht aluminiumfolie in een halfronde vorm. Vervolgens behandelden zij het metaal met een elektrochemisch proces dat het in een isolator veranderde, aluminiumoxyde genaamd. Dit proces zorgde er ook voor dat het materiaal bezaaid raakte met poriën op nanoschaal. Het resultaat was dat de onderzoekers een gebogen halve bol overhielden met handige dicht geclusterde gaatjes waarin ze perovskiet nanodraden konden laten “groeien”. “De dichtheid van de nanodraden is zeer hoog”, zegt Jiang. “Het is vergelijkbaar – het is eigenlijk zelfs hoger – dan de dichtheid van de fotoreceptoren in menselijke ogen.”
Toen ze eenmaal hun gebogen “netvlies” hadden, verwerkten de wetenschappers het in een kunstmatig oog dat aan de voorkant een gebogen lens bevatte. Geïnspireerd door de gespecialiseerde vloeistof in een echt oog, vulde het team zijn biomimetische versie met een ionische vloeistof, een soort vloeibaar zout waarin geladen deeltjes kunnen bewegen. “Een zeer belangrijk bestanddeel binnenin is de holte waarin we ionische vloeistof hebben gevuld,” zegt Fan. “Zodra deze nanodraden ladingen genereren, zal de lading worden uitgewisseld met sommige ionen.” Deze elektrische uitwisseling stelt de perovskiet nanodraden in staat om de elektrochemische functie uit te voeren van het detecteren van licht en het verzenden van dat signaal naar externe beeldverwerkende elektronica.
Toen het team het kunstmatige oog testte, slaagde het erin om lichtpatronen te verwerken in slechts 19 milliseconden – de helft van de tijd die nodig is voor een menselijk oog. En het produceerde beelden met een groter contrast en duidelijker randen dan die gegenereerd door een vlakke beeldsensor met een vergelijkbaar aantal pixels. In sommige opzichten verbeterde het kunstmatige oog het natuurlijke zicht: het kon een groter golflengtebereik opvangen en had geen dode hoek.
Fan hoopt samen te werken met medische onderzoekers om prothetische apparaten te bouwen op basis van het ontwerp van zijn team. Om dat te doen is echter veel meer ontwikkeling nodig. Het kunstmatige oog is “echt elegant; het ziet eruit als geweldig werk,” zegt Jessy Dorn, vice-president van klinische en wetenschappelijke zaken bij biomedisch bedrijf Second Sight, die niet betrokken was bij het onderzoek. “Maar praat niet over hoe het mogelijk verbonden kan worden met het menselijke visuele systeem.” Zij werkt aan apparaten om blindheid te behandelen, waaronder een netvliesprothese genaamd de Argus II, en wijst erop dat het ontwikkelen van de elektronische interface slechts de eerste stap is. Een dergelijk apparaat zal moeten communiceren met de menselijke hersenen om beelden te produceren. “Dat is een van de grotere uitdagingen: hoe krijg je een soort hoge-resolutie interface veilig en betrouwbaar geïmplanteerd en vervolgens werken met het menselijke visuele systeem.”
Daarnaast zijn er verschillende soorten blindheid, en perfecte ogen produceren niet altijd perfect zicht. De ontwikkeling van de hersenen tijdens de kinderjaren is bijvoorbeeld van cruciaal belang voor de verwerking van visuele input, zodat iemand die blind wordt geboren misschien nooit de bedrading van de hersenen zal hebben die nodig is om later in zijn leven door prothetische ogen te kunnen zien. Dorn merkt op dat de ontvangers van het Argus II implantaat allemaal volwassenen zijn die hun gezichtsvermogen pas veel later hebben verloren. En zelfs zij hebben verschillende niveaus van succes: sommigen krijgen alleen het vermogen om licht en schaduw te onderscheiden, terwijl anderen vormen kunnen verwerken. Toch zegt ze dat elke visuele verbinding met de omgeving kan leiden tot meer onafhankelijkheid en een grotere bewegingsvrijheid. En prothesen zijn niet de enige waardevolle toepassing van kunstogen: dergelijke apparaten zouden onmiddellijke toepassingen kunnen hebben in robotachtige visie.
“Het nabootsen van de natuurlijke ogen is een droom geweest voor veel optische ingenieurs,” zegt Jiang, opmerkend dat sommige onderzoekers proberen zoogdierogen na te bootsen en dat anderen werken met insectachtige samengestelde ogen. Hij voegt eraan toe dat het veld nu eindelijk echte doorbraken begint te kennen. “Ik denk dat we in ongeveer 10 jaar een aantal zeer tastbare praktische toepassingen van deze bionische ogen moeten zien.”