Ochiul uman este un instrument sofisticat: imaginile intră printr-o lentilă curbată în partea din față a sferei și trec prin lichidul său sticlos, vitros, înainte de a ajunge la retina sensibilă la lumină – care transmite semnalul către nervul optic care duce imaginea la creier. Inginerii au încercat să reproducă această structură timp de aproximativ un deceniu. Acum, un nou ochi artificial imită cu succes forma sferică a instrumentului natural. Cercetătorii speră că această realizare ar putea duce la o vedere robotică mai clară și la dispozitive protetice. O lucrare despre această dezvoltare a fost publicată miercuri în Nature.

Cercetarea s-a bazat pe faptul că perovskitul, un material conductiv și sensibil la lumină folosit în celulele solare, poate fi folosit pentru a crea nanofire extrem de subțiri, cu o lungime de câteva miimi de milimetru. Aceste fire imită structura celulelor fotoreceptoare lungi și subțiri ale ochiului, spune coautorul studiului, Zhiyong Fan, inginer electronist și informatician la Universitatea de Știință și Tehnologie din Hong Kong. “Dar dificultatea este: cum putem fabrica o matrice de nanofire într-un substrat emisferic pentru a forma această retină emisferică?”, adaugă el. Construirea unei retină curbată este importantă deoarece lumina o atinge doar după ce trece printr-o lentilă curbată. “Când încerci să imaginezi ceva, imaginea care se formează după lentilă este de fapt curbată”, spune Hongrui Jiang, inginer electrician la Universitatea din Wisconsin-Madison, care a analizat noua lucrare, dar nu a fost implicat direct în lucrare. “Dacă aveți un senzor plat, atunci imaginea nu poate fi focalizată foarte precis”. Retina este curbată, dar senzorii electronici de lumină sunt rigizi și plat.

Pentru a rezolva problema, Fan și colegii săi au deformat o folie de aluminiu moale într-o formă emisferică. Apoi au tratat metalul cu un proces electrochimic care l-a transformat într-un izolator numit oxid de aluminiu. Acest proces a lăsat, de asemenea, materialul împânzit de pori la scară nanometrică. Ca urmare, cercetătorii au rămas cu o emisferă curbată care avea găuri convenabil de dens grupate în care puteau “crește” nanofire de perovskit. “Densitatea nanofirelor este foarte mare”, spune Jiang. “Este comparabilă – de fapt, este chiar mai mare – decât densitatea fotoreceptorilor din ochii umani.”

După ce au avut “retina” lor curbată, oamenii de știință au încorporat-o într-un ochi artificial care includea o lentilă curbată în partea din față. Inspirată de lichidul specializat dintr-un ochi real, echipa și-a umplut versiunea biomimetică cu un lichid ionic, un tip de sare lichidă în care se pot mișca particule încărcate. “O componentă foarte importantă în interior este în cavitatea în care am umplut lichidele ionice”, spune Fan. “Odată ce aceste nanofire generează sarcini, sarcina va fi schimbată cu niște ioni”. Acest schimb electric permite nanofirelor de perovskit să îndeplinească funcția electrochimică de detectare a luminii și de trimitere a acestui semnal către un sistem electronic extern de procesare a imaginii.

Când echipa a testat ochiul artificial, acesta a reușit să proceseze modele de lumină în doar 19 milisecunde – jumătate din timpul necesar unui ochi uman. Și a produs imagini care aveau un contrast mai mare și margini mai clare decât cele generate de un senzor de imagine plat cu un număr similar de pixeli. În unele privințe, ochiul artificial a îmbunătățit viziunea naturală: putea capta o gamă mai mare de lungimi de undă și nu avea un punct orb.

Fan speră să colaboreze cu cercetătorii din domeniul medical pentru a construi dispozitive protetice bazate pe proiectul echipei sale. Totuși, pentru a face acest lucru ar putea necesita mult mai multă dezvoltare. Ochiul artificial este “cu adevărat elegant; arată ca o muncă uimitoare”, spune Jessy Dorn, vicepreședinte al afacerilor clinice și științifice la compania biomedicală Second Sight, care nu a fost implicată în cercetare. “Dar nu vorbiți despre cum ar putea fi eventual conectat la sistemul vizual uman”. Ea lucrează la dispozitive de tratare a orbirii, inclusiv la o proteză retiniană numită Argus II, și subliniază că dezvoltarea interfeței electronice este doar primul pas. Un astfel de dispozitiv va trebui să interacționeze cu creierul uman pentru a produce imagini. “Aceasta este una dintre cele mai mari provocări: cum să obținem orice fel de interfață de înaltă rezoluție implantată în condiții de siguranță și fiabilitate și apoi să lucrăm cu sistemul vizual uman.”

În plus, există diferite tipuri de orbire, iar ochii perfecți nu pot produce întotdeauna o vedere perfectă. De exemplu, dezvoltarea creierului în timpul copilăriei și copilăriei este crucială pentru procesarea intrărilor vizuale – astfel încât este posibil ca o persoană care se naște oarbă să nu aibă niciodată cablajul cerebral necesar pentru a vedea cu ajutorul unor ochi protetici mai târziu în viață. Dorn remarcă faptul că beneficiarii implantului Argus II sunt toți adulți care și-au pierdut vederea mult mai târziu. Și chiar și aceștia au niveluri diferite de succes: unii dobândesc doar capacitatea de a diferenția lumina și umbra, în timp ce alții pot procesa formele. Cu toate acestea, ea spune că orice conexiune vizuală cu mediul înconjurător poate duce la mai multă independență și la o mai mare libertate de mișcare. Iar protezele nu sunt singura aplicație valoroasă a ochilor artificiali: astfel de dispozitive ar putea avea aplicații imediate în vederea robotică.

“Imitarea ochilor naturali a fost un vis pentru mulți ingineri optici”, spune Jiang, menționând că unii cercetători caută să imite ochii mamiferelor și că alții lucrează cu ochi compuși asemănători celor de insecte. Domeniul începe, în sfârșit, să aibă progrese reale, adaugă el. “Cred că în aproximativ 10 ani, ar trebui să vedem unele aplicații practice foarte tangibile ale acestor ochi bionici.”

.