El ojo humano es un instrumento sofisticado: las imágenes entran a través de una lente curvada en la parte delantera de la esfera y atraviesan su líquido vítreo pegajoso antes de llegar a la retina, sensible a la luz, que transmite la señal al nervio óptico que lleva la imagen al cerebro. Los ingenieros llevan una década intentando reproducir esta estructura. Ahora, un nuevo ojo artificial imita con éxito la forma esférica del instrumento natural. Los investigadores esperan que este logro pueda conducir a una visión robótica más nítida y a dispositivos protésicos. La investigación se basa en el hecho de que la perovskita, un material conductor y sensible a la luz utilizado en las células solares, puede utilizarse para crear nanocables extremadamente finos de varias milésimas de milímetro de longitud. Estos hilos imitan la estructura de las largas y finas células fotorreceptoras del ojo, explica Zhiyong Fan, coautor del estudio e ingeniero electrónico e informático de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Hong Kong. “Pero la dificultad estriba en cómo fabricar una matriz de nanocables en un sustrato semiesférico para formar esta retina semiesférica”, añade. Construir una retina curvada es importante porque la luz sólo llega a ella después de pasar por una lente curvada. “Cuando se intenta obtener una imagen de algo, la imagen que se forma después de la lente es realmente curva”, dice Hongrui Jiang, ingeniero eléctrico de la Universidad de Wisconsin-Madison, que revisó el nuevo artículo pero no participó directamente en el trabajo. “Si tienes un sensor plano, la imagen no puede enfocarse con mucha nitidez”. La retina es curva, pero los sensores de luz electrónicos son rígidos y planos.
Para resolver el problema, Fan y sus colegas deformaron papel de aluminio blando hasta darle una forma semiesférica. Luego trataron el metal con un proceso electroquímico que lo convirtió en un aislante llamado óxido de aluminio. Este proceso también dejó el material tachonado de poros a nanoescala. Como resultado, los investigadores obtuvieron una semiesfera curvada con agujeros densamente agrupados en los que pudieron “cultivar” nanohilos de perovskita. “La densidad de los nanocables es muy alta”, afirma Jiang. “Es comparable -en realidad es incluso mayor- a la densidad de los fotorreceptores de los ojos humanos”.
Una vez que tuvieron su “retina” curvada, los científicos la incorporaron a un ojo artificial que incluía una lente curvada en la parte delantera. Inspirándose en el líquido especializado de un ojo real, el equipo llenó su versión biomimética con un líquido iónico, un tipo de sal líquida en la que pueden moverse partículas cargadas. “Un componente muy importante en el interior es la cavidad que llenamos de líquido iónico”, dice Fan. “Una vez que estos nanocables generan cargas, éstas se intercambian con algunos iones”. Este intercambio eléctrico permite a los nanocables de perovskita realizar la función electroquímica de detectar la luz y enviar esa señal a la electrónica externa de procesamiento de imágenes.
Cuando el equipo probó el ojo artificial, consiguió procesar patrones de luz en tan sólo 19 milisegundos, la mitad del tiempo que necesita un ojo humano. Y produjo imágenes con mayor contraste y bordes más nítidos que las generadas por un sensor de imagen plano con un número similar de píxeles. En algunos aspectos, el ojo artificial mejoraba la visión natural: podía captar una mayor gama de longitudes de onda y carecía de punto ciego.
Fan espera trabajar con investigadores médicos para construir dispositivos protésicos basados en el diseño de su equipo. Sin embargo, hacerlo podría requerir mucho más desarrollo. El ojo artificial es “realmente elegante; parece un trabajo increíble”, dice Jessy Dorn, vicepresidente de asuntos clínicos y científicos de la empresa biomédica Second Sight, que no participó en la investigación. “Pero no habla de cómo podría conectarse con el sistema visual humano”. Trabaja en dispositivos para tratar la ceguera, incluida una prótesis de retina llamada Argus II, y señala que el desarrollo de la interfaz electrónica es sólo el primer paso. Un dispositivo así tendrá que interactuar con el cerebro humano para producir imágenes. “Ése es uno de los mayores retos: cómo conseguir que cualquier tipo de interfaz de alta resolución se implante de forma segura y fiable y que luego funcione con el sistema visual humano”.
Además, hay diferentes tipos de ceguera, y los ojos perfectos no siempre producen una visión perfecta. Por ejemplo, el desarrollo del cerebro durante la infancia y la niñez es crucial para procesar la información visual, por lo que una persona que nace ciega puede no tener nunca el cableado cerebral necesario para ver a través de ojos protésicos más adelante en su vida. Dorn señala que los receptores del implante Argus II son todos adultos que perdieron la visión mucho más tarde. E incluso tienen diferentes niveles de éxito: algunos sólo adquieren la capacidad de diferenciar la luz y la sombra, mientras que otros pueden procesar las formas. Aun así, afirma que cualquier conexión visual con el entorno puede dar lugar a una mayor independencia y libertad de movimientos. Y las prótesis no son la única aplicación valiosa de los ojos artificiales: estos dispositivos podrían tener aplicaciones inmediatas en la visión robótica.
“Imitar los ojos naturales ha sido el sueño de muchos ingenieros ópticos”, dice Jiang, señalando que algunos investigadores buscan imitar los ojos de los mamíferos y que otros trabajan con los compuestos de los insectos. El campo está empezando a tener por fin verdaderos avances, añade. “Creo que en unos 10 años deberíamos ver algunas aplicaciones prácticas muy tangibles de estos ojos biónicos”.