Ludzkie oko jest wyrafinowanym instrumentem: obrazy wchodzą przez zakrzywioną soczewkę z przodu kuli i przechodzą przez jej lepką, szklistą ciecz zanim dotrą do wrażliwej na światło siatkówki – która przekazuje sygnał do nerwu wzrokowego, który przenosi obraz do mózgu. Inżynierowie próbowali odtworzyć tę strukturę przez około dekadę. Teraz nowe sztuczne oko z powodzeniem naśladuje kulisty kształt naturalnego instrumentu. Naukowcy mają nadzieję, że to osiągnięcie może doprowadzić do ostrzejszego widzenia robotów i urządzeń protetycznych. Praca na temat rozwoju została opublikowana w środę w Nature.
Badania opierają się na fakcie, że perowskit, przewodzący i wrażliwy na światło materiał używany w ogniwach słonecznych, może być używany do tworzenia niezwykle cienkich nanowirów o długości kilku tysięcznych milimetra. Takie druty naśladują strukturę długich, cienkich komórek fotoreceptorowych oka, mówi współautor badania, Zhiyong Fan, inżynier elektroniki i informatyki z Hong Kong University of Science and Technology. “Ale trudność polega na tym: jak możemy wyprodukować układ nanodrutów w półkulistym podłożu, aby uformować półkulistą siatkówkę?” dodaje. Skonstruowanie zakrzywionej siatkówki jest ważne, ponieważ światło trafia na nią dopiero po przejściu przez zakrzywioną soczewkę. “Kiedy próbujesz coś zobrazować, obraz, który powstaje po przejściu przez soczewkę jest w rzeczywistości zakrzywiony,” mówi Hongrui Jiang, inżynier elektryk z University of Wisconsin-Madison, który przejrzał nowy artykuł, ale nie był bezpośrednio zaangażowany w pracę. “Jeśli masz płaski czujnik, wtedy obraz nie może być skupiony bardzo ostro”. Siatkówka jest zakrzywiona, ale elektroniczne czujniki światła są sztywne i płaskie.
Aby rozwiązać problem, Fan i jego koledzy zdeformowali miękką folię aluminiową do półkulistego kształtu. Następnie poddali metal procesowi elektrochemicznemu, który przekształcił go w izolator zwany tlenkiem aluminium. Proces ten spowodował również, że materiał stał się porowaty w nanoskali. W rezultacie, naukowcy otrzymali zakrzywioną półkulę, która posiadała dogodne, gęsto skupione otwory, w których mogli “hodować” nanodruty perowskitowe. “Gęstość nanodrutów jest bardzo wysoka,” mówi Jiang. “Jest porównywalna z gęstością fotoreceptorów w ludzkich oczach.”
Gdy naukowcy mieli już swoją zakrzywioną “siatkówkę”, włączyli ją do sztucznego oka, które zawierało zakrzywioną soczewkę z przodu. Zainspirowany przez specjalistyczny płyn w prawdziwym oku, zespół wypełnił swoją biomimetyczną wersję cieczą jonową, rodzajem ciekłej soli, w której naładowane cząsteczki mogą się poruszać. “Jednym z bardzo ważnych elementów wewnątrz jest wgłębienie, które wypełniliśmy cieczą jonową” – mówi Fan. “Gdy te nanodruty wygenerują ładunki, ładunek ten zostanie wymieniony z niektórymi jonami”. Ta wymiana elektryczna pozwala nanowirom perowskitu wykonywać elektrochemiczną funkcję wykrywania światła i wysyłania tego sygnału do zewnętrznej elektroniki przetwarzającej obraz.
Gdy zespół przetestował sztuczne oko, udało mu się przetworzyć wzory światła w zaledwie 19 milisekund – połowę czasu wymaganego przez ludzkie oko. I produkował obrazy, które miały większy kontrast i wyraźniejsze krawędzie niż te generowane przez płaski czujnik obrazu z podobną liczbą pikseli. Pod pewnymi względami sztuczne oko było lepsze od naturalnego wzroku: mogło wychwycić większy zakres długości fal i nie posiadało martwego pola.
Fan ma nadzieję na współpracę z badaczami medycznymi w celu zbudowania protez opartych na projekcie jego zespołu. Może to jednak wymagać znacznie większego rozwoju. Sztuczne oko jest “naprawdę eleganckie; wygląda jak niesamowita praca” – mówi Jessy Dorn, wiceprezes ds. klinicznych i naukowych w firmie biomedycznej Second Sight, która nie brała udziału w badaniach. “Ale nie mówcie o tym, jak to może być ewentualnie połączone z ludzkim systemem wizualnym”. Pracuje ona nad urządzeniami leczącymi ślepotę, w tym nad protezą siatkówki o nazwie Argus II, i zwraca uwagę, że opracowanie elektronicznego interfejsu to dopiero pierwszy krok. Takie urządzenie będzie musiało wchodzić w interakcję z ludzkim mózgiem, aby wytwarzać obrazy. “To jedno z większych wyzwań: jak bezpiecznie i niezawodnie wszczepić dowolny rodzaj interfejsu o wysokiej rozdzielczości, a następnie współpracować z ludzkim systemem wizualnym.”
Co więcej, istnieją różne rodzaje ślepoty, a doskonałe oczy nie zawsze mogą wytwarzać doskonałe widzenie. Na przykład, rozwój mózgu w okresie niemowlęctwa i dzieciństwa jest kluczowy dla przetwarzania danych wizualnych – więc osoba, która urodziła się niewidoma, może nigdy nie mieć okablowania mózgu wymaganego do widzenia przez protetyczne oczy w późniejszym życiu. Dorn zauważa, że odbiorcami implantu Argus II są wszyscy dorośli, którzy stracili wzrok znacznie później. I nawet oni mają różne poziomy sukcesu: niektórzy zyskują jedynie zdolność rozróżniania światła i cienia, podczas gdy inni potrafią przetwarzać kształty. Mimo to, jak twierdzi autorka, każdy kontakt wzrokowy z otoczeniem może zaowocować większą niezależnością i swobodą ruchów. A protezy nie są jedynym cennym zastosowaniem sztucznych oczu: takie urządzenia mogłyby mieć natychmiastowe zastosowanie w widzeniu robotów.
“Naśladowanie naturalnych oczu było marzeniem wielu inżynierów optycznych”, mówi Jiang, zauważając, że niektórzy badacze starają się naśladować oczy ssaków, a inni pracują z owadopodobnymi oczami złożonymi. Dodaje, że w tej dziedzinie wreszcie zaczynają się pojawiać prawdziwe przełomy. “Myślę, że za około 10 lat powinniśmy zobaczyć kilka bardzo namacalnych praktycznych zastosowań tych bionicznych oczu.”
.