Dodano: 26 maj 2020r.

Sztuczne oko o możliwościach zbliżonych do naturalnego

Sztuczne oko mogłoby przywrócić niewidomym wzrok. Znalazłoby także zastosowanie w robotyce. Jednak obecnie tworzonym protezom wzroku daleko do możliwości oferowanych przez naturalne oko. Ale badacze znaleźli sposób, by lepiej naśladować naturę. Nowe biomimetyczne oko stworzone przez naukowców z Hongkongu naśladuje strukturę ludzkiego oka, jest równie wrażliwe na światło i ma szybszy czas reakcji niż prawdziwa gałka oczna.

sztuczne oko

 

Ludzkie oko to wyrafinowany instrument o imponujących możliwościach. Obrazy dostają się przez zakrzywioną soczewkę z przodu, przechodzą dalej przez ciało szkliste i docierają do wrażliwej na światło siatkówki, która przekazuje sygnał do nerwu wzrokowego, który z kolei przenosi obraz do mózgu. Inżynierowie próbują powielić tę strukturę od dziesięcioleci, ale ich wysiłki nie przyniosły jak dotąd zadowalających rezultatów. Dużym krokiem naprzód jest nowy projekt naukowców z Hong Kong University of Science and Technology.

Sztuczne oko, którego opis ukazał się na łamach pisma „Nature”, z powodzeniem naśladuje kulisty kształt naturalnego narządu. Jest też podobnie wrażliwe na światło, a jego czas reakcji jest szybszy niż prawdziwego oka. Naukowcy mają nadzieję, że ich badania doprowadzą w przyszłości do efektywnych protez wzroku.

Sztuczne oko i perowskity

W swoich badaniach grupa naukowców skupiła się na perowskitach. Ten przewodzący i wrażliwy na światło materiał stosowany w ogniwach słonecznych, może być wykorzystywany do tworzenia wyjątkowo cienkich nanodrutów, o długości zaledwie kilku tysięcznych milimetra. W biomimetycznej konstrukcji oka naśladują one komórki fotoreceptorów. - Ale trudność polegała na tym, w jaki sposób utworzyć szereg nanodrucików na półkulistym podłożu, aby utworzyć tę półkolistą siatkówkę? - przyznał Zhiyong Fan z Hong Kong University of Science and Technology.

Ludzkie oko swoje szerokie pole widzenia i wzrok wysokiej rozdzielczości zawdzięcza siatkówce - obszarze z tyłu gałki ocznej pokrytym fotoreceptorami. Kluczową częścią tego, co sprawia, że ​​konstrukcja oka jest tak potężna, jest jej kształt, ale jest to również jedna z najtrudniejszych rzeczy do naśladowania. Wklęsły kształt siatkówki pozwala wychwycić znacznie więcej światła przechodzącego przez zakrzywioną soczewkę, niż gdyby byłaby ona płaska.

Jednak stworzenie podobnie zakrzywionej matrycy okazało się trudnym zadaniem. Fan wraz z zespołem zastosował zakrzywioną membranę z tlenku glinu gęsto usianą porami w skali nano. Następnie wykorzystali chemiczne osadzanie z fazy gazowej do wzrostu w nanoporach struktur z perowskitu w podobnym rozmiarze. Wszystko to miało jak najwierniej odzwierciedlać budować naturalnego oka. Nanostruktury z perowskitu działają jako sztuczny odpowiednik fotoreceptorów. Kiedy światło przechodzi nad nimi, przesyłają sygnały elektryczne do zewnętrznego obwodu w celu przetworzenia, podobnie jak włókna nerwowe przekazują sygnały z prawdziwej gałki ocznej do mózgu.

Większość wcześniejszych podejść polegała na osadzaniu sztucznych fotoreceptorów na płaskich powierzchniach przed ich złożeniem lub przeszczepieniem na zakrzywione. Problem z tym podejściem jest taki, że ogranicza on gęstość fotoreceptorów, a zatem rozdzielczość bionicznego oka, ponieważ między czujnikami należy pozostawić przestrzeń, aby umożliwić przekształcenie z płaskiego na zakrzywiony. Nowy sposób budowy fotosensorów bezpośrednio w półkolistej, sztucznej siatkówce, umożliwił stworzenie urządzenia, które może naśladować szerokie pole widzenia, czas reakcji i rozdzielczość ludzkiego oka.

Gdy badacze mieli już sztuczną siatkówkę, podłączyli ją do reszty sztucznego oka, które zawierało zakrzywioną soczewkę z przodu. Zainspirowani płynem wypełniającym prawdziwe oko, naukowcy napełnił swoją biomimetyczną wersję cieczą jonową, rodzajem płynnej soli, w której mogą się poruszać naładowane cząstki. To pozwoliło nanodrucikom z perowskitu wykonywać elektrochemiczną funkcję wykrywania światła i wysyłania tego sygnału do zewnętrznej elektroniki przetwarzającej obraz.

Sztuczne oko lepsze od naturalnego?

Podczas testów sztuczne oko wykazało się znacznie lepszymi wynikami niż wcześniejsze protezy. Co więcej, w niektórych aspektach wyniki były lepsze niż naturalny pierwowzór. Sztuczna gałka oczna zarejestrowała zmiany oświetlenia szybciej niż naturalna. Fotoreceptory z perowskitu zostały aktywowane w ciągu zaledwie 19,2 milisekundy i powróciły do ​​punktu, w którym można je ponownie aktywować w 23,9 milisekundy. Czasy reakcji i powrotu do gotowości w ludzkich fotoreceptorach wynoszą od 40 do 150 milisekund.

Co więcej, sztuczne oko rejestruje słabe światło tak dobrze, jak naturalna gałka oczna. I chociaż jego pole widzenia nie mogło osiągnąć 130 stopni, jak w przypadku ludzkiego oka, to udało mu się osiągnąć 100 stopni, co stanowi znaczną poprawę w stosunku do około 70 stopni, jakie wykazywano w poprzednich, podobnych badaniach.

Teoretycznie syntetyczne oko może postrzegać znacznie wyższą rozdzielczość niż oko ludzkie, ponieważ sztuczna siatkówka zawiera około 460 milionów czujników światła na centymetr kwadratowy. Prawdziwa siatkówka ma około 10 milionów komórek wykrywających światło na centymetr kwadratowy. Osiągnięcie wyższej rozdzielczości wymagałoby jednak oddzielnych odczytów dla każdego czujnika, ale tutaj dużym ograniczeniem jest okablowanie fotoreceptorów. Wynika to ze znacznej różnicy wielkości między nanodrucikami a kabelkami służącymi do przesyłu sygnału.

- Struktura sztucznego oka jest z pewnością imponująca, ale tym, co naprawdę wyróżnia je spośród wcześniej zgłaszanych urządzeń, jest to, że wiele jego zdolności sensorycznych jest porównywalnych z możliwościami jego naturalnego odpowiednika - ocenił Hongrui Jiang z University of Wisconsin Madison, który nie był zaangażowany w badania.

Fan ma nadzieję, że na bazie projektu powstanie w pełni wartościowa proteza oka, choć będzie to wymagało dalszych badań. Opracowane urządzenie ma świetne wyniki, ale brak mu sposobu połączenia z ludzkim układem wzrokowym. Proteza będzie musiała wchodzić w interakcje z mózgiem i niezawodne i bezpieczne połączenie jest jednym z większych wyzwań stojących przed zespołem Fana.

 

Źródło: Scientific American, fot. Leilei Gu/ Fantastic Color Animation Technology