Det mänskliga ögat är ett sofistikerat instrument: bilderna kommer in genom en böjd lins längst fram på sfären och passerar genom den klibbiga, glasaktiga vätskan innan de når den ljuskänsliga näthinnan – som vidarebefordrar signalen till synnerven som för bilden vidare till hjärnan. Ingenjörer har försökt efterlikna denna struktur i ungefär ett decennium. Nu har ett nytt artificiellt öga lyckats efterlikna det naturliga instrumentets sfäriska form. Forskarna hoppas att detta resultat kan leda till skarpare robotseende och proteser. En artikel om utvecklingen publicerades på onsdagen i Nature.
Forskningen byggde på det faktum att perovskit, ett ledande och ljuskänsligt material som används i solceller, kan användas för att skapa extremt tunna nanotrådar som är flera tusendelar av en millimeter långa. Dessa trådar efterliknar strukturen hos ögats långa, tunna fotoreceptorceller, säger Zhiyong Fan, medförfattare till studien och elektronik- och dataingenjör vid Hong Kong University of Science and Technology. “Men svårigheten är: Hur kan vi tillverka en rad nanotrådar i ett halvklotformigt substrat för att bilda denna halvklotformiga näthinna?”, tillägger han. Att konstruera en böjd näthinna är viktigt eftersom ljuset träffar den först efter att ha passerat genom en böjd lins. “När man försöker avbilda något är bilden som bildas efter linsen faktiskt böjd”, säger Hongrui Jiang, elektroingenjör vid University of Wisconsin-Madison, som granskat den nya artikeln men som inte var direkt involverad i arbetet. “Om du har en platt sensor kan bilden inte fokuseras särskilt skarpt.” Näthinnan är böjd, men elektroniska ljussensorer är stela och platta.
För att lösa problemet deformerade Fan och hans kollegor mjuk aluminiumfolie till en halvklotform. Sedan behandlade de metallen med en elektrokemisk process som omvandlade den till en isolator som kallas aluminiumoxid. Denna process lämnade också materialet översållat med porer i nanostorlek. Som ett resultat av detta fick forskarna en böjd halvklot som hade bekväma tätt klustrade hål i vilka de kunde “odla” perovskitnanotrådar. “Nanotrådarnas täthet är mycket hög”, säger Jiang. “Den är jämförbar – den är faktiskt till och med högre än tätheten hos fotoreceptorerna i mänskliga ögon.”
När de väl hade sin böjda “näthinna” byggde forskarna in den i ett artificiellt öga med en böjd lins på framsidan. Inspirerade av den specialiserade vätskan i ett riktigt öga fyllde teamet sin biomimetiska version med en jonisk vätska, en typ av flytande salt där laddade partiklar kan röra sig. “En mycket viktig komponent inuti är i det hålrum som vi fyllde med joniska vätskor”, säger Fan. “När dessa nanotrådar genererar laddningar kommer laddningen att utbytas med vissa joner.” Detta elektriska utbyte gör det möjligt för perovskitnanotrådarna att utföra den elektrokemiska funktionen att upptäcka ljus och skicka signalen till extern bildbehandlingselektronik.
När teamet testade det konstgjorda ögat lyckades det bearbeta ljusmönster på så lite som 19 millisekunder – hälften av den tid som krävs för ett mänskligt öga. Och det producerade bilder som hade större kontrast och tydligare kanter än de bilder som genererades av en platt bildsensor med ett liknande antal pixlar. På vissa sätt förbättrade det konstgjorda ögat den naturliga synen: det kunde uppfatta ett större spektrum av våglängder och saknade en blind fläck.
Fan hoppas kunna samarbeta med medicinska forskare för att bygga proteser baserade på hans grupps konstruktion. Att göra detta kan dock kräva mycket mer utveckling. Det konstgjorda ögat är “verkligen elegant, det ser ut som ett fantastiskt arbete”, säger Jessy Dorn, vice ordförande för kliniska och vetenskapliga frågor på det biomedicinska företaget Second Sight, som inte var inblandad i forskningen. “Men prata inte om hur det möjligen skulle kunna anslutas till det mänskliga visuella systemet.” Hon arbetar med anordningar för behandling av blindhet, bland annat en näthinneprotes kallad Argus II, och påpekar att utvecklingen av det elektroniska gränssnittet bara är ett första steg. En sådan anordning kommer att behöva interagera med den mänskliga hjärnan för att producera bilder. “Det är en av de större utmaningarna: hur man på ett säkert och tillförlitligt sätt kan få någon form av högupplöst gränssnitt implanterat och sedan arbeta med det mänskliga visuella systemet.”
Det finns dessutom olika typer av blindhet, och perfekta ögon ger inte alltid en perfekt syn. Till exempel är hjärnans utveckling under spädbarns- och barndomsåren avgörande för att bearbeta visuell inmatning – så en person som föds blind kanske aldrig får den hjärnans koppling som krävs för att kunna se genom ögonproteser senare i livet. Dorn noterar att mottagarna av Argus II-implantatet alla är vuxna personer som förlorade sin syn långt senare. Och även de har olika nivåer av framgång: vissa får bara förmågan att skilja mellan ljus och skugga, medan andra kan bearbeta former. Ändå säger hon att varje visuell koppling till omgivningen kan leda till större självständighet och rörelsefrihet. Och proteser är inte den enda värdefulla tillämpningen av konstgjorda ögon: sådana anordningar skulle kunna ha omedelbara tillämpningar inom robotseende.
“Att efterlikna de naturliga ögonen har varit en dröm för många optiska ingenjörer”, säger Jiang och påpekar att vissa forskare försöker efterlikna däggdjursögon och att andra arbetar med insektsliknande sammansatta ögon. Området börjar äntligen få verkliga genombrott, tillägger han. “Jag tror att vi om ungefär 10 år bör få se några mycket konkreta praktiska tillämpningar av dessa bioniska ögon.”