Человеческий глаз представляет собой сложный инструмент: изображение поступает через роговицу, изогнутую линзу в передней области, и проходит через стекловидное тело, прежде чем достичь светочувствительной сетчатки, которая передает сигналы зрительному нерву, переносящему их в мозг. Инженеры пытаются воспроизвести эту структуру уже несколько десятилетий, и теперь новый искусственный глаз успешно имитирует сферическую форму естественного органа. Исследователи надеются, что это достижение может привести к появлению роботов с более четким зрением и более качественным протезам. Статья об этом необычном приборе была опубликована в среду в журнале Nature.
Исследование базируется на том, что перовскит — светочувствительный материал, используемый в солнечных элементах — может быть применен для создания чрезвычайно тонких нанопроводов длиной в несколько тысячных долей миллиметра. «Эти провода имитируют структуру длинных тонких фоторецепторных клеток глаза», — говорит соавтор исследования Чжийонг Фан, инженер-электронщик и компьютерщик из Гонконгского университета науки и техники. «Но трудность заключается в следующем: как мы можем изготовить массив нанопроводов в полусферической подложке для формирования полусферической сетчатки?»
Чтобы решить эту проблему, Фан и его коллеги деформировали мягкую алюминиевую фольгу в полусферическую форму. Затем они обработали металл с помощью электрохимического процесса, который превратил его в изолятор под названием оксид алюминия. В результате этого процесса появился материал, усеянный наноразмерными порами.
В итоге исследователи получили искривленное полушарие, которое имело удобные плотно сгруппированные отверстия, в которых они смогли «вырастить» нанопровода из перовскита. «Плотность нанопроводов очень высокая», — говорит Цзян. «Она сопоставима — а на самом деле даже выше — чем плотность фоторецепторов в человеческих глазах».
Сравнение настоящего и искусственного глаза.
Однако на деле пока что хватает ограничений. Так, искусственная сетчатка имеет около 460 миллионов световых сенсоров на квадратный сантиметр: для сравнения, в нашем глазу около 10 миллионов фоторецепторов располагается на такой же площади. Но в текущей конфигурации каждый провод, подключенный к искусственной сетчатке, захватывает сразу несколько сенсоров, поэтому на деле итоговое разрешение оказывается сравнимо с таковым у человеческого глаза.
Как только у них появилась изогнутая «сетчатка», ученые добавили ее в искусственный глаз, который имеет изогнутую линзу спереди. Вдохновленная специальной жидкостью в реальном глазу, команда исследователей наполнила его биомиметическую версию ионной жидкостью — разновидностью солевого раствора, в котором могут перемещаться заряженные частицы.
«Один очень важный процесс происходит внутри полости, которую мы наполнили ионной жидкостью», — говорит Фан. «Как только эти нанопровода начнут генерировать ток, часть заряда будет поглощена некоторыми ионами». Этот электрический обмен позволяет нанопроводам из перовскита выполнять электрохимическую функцию обнаружения света и передавать этот сигнал на внешнюю электронику обработки изображений.
Протестировав получившееся искусственное глазное яблоко, ученые обнаружили, что оно регистрирует изменение в освещении быстрее, чем человеческий глаз — приблизительно за 30-40 миллисекунд, а не 40-150. Устройство также может видеть тусклый свет примерно так же, как и человеческий глаз. Хотя его 100-градусное поле зрения не так широко, как 150 градусов, которые может охватить человеческий глаз, это все же лучше, чем 70 градусов, видимых обычными плоскими датчиками изображения.
Принцип работы искусственного глаза.
Кроме того, искусственный глаз создает изображения, которые имеют больший контраст и более четкие края, чем те, которые генерируются плоским оптическим датчиком с аналогичным количеством пикселей. В некотором смысле искусственный глаз улучшает естественное зрение: он может улавливать больший диапазон длин волн и не имеет слепого пятна.
Фан надеется сотрудничать с медицинскими исследователями для создания протезов на основе своего устройства. Однако это может потребовать гораздо большего развития технологий. Искусственный глаз «действительно элегантен, это удивительная работа», — говорит Джесси Дорн, вице-президент по клиническим и научным вопросам в биомедицинской компании Second Sight. «Но [авторы исследования] не говорят о том, как это может быть связано с зрительной системой человека».
Джесси работает над устройствами для лечения слепоты, включая протез сетчатки под названием Argus II, и говорит, что разработка электронного интерфейса — это только первый шаг. Такое устройство должно взаимодействовать с человеческим мозгом для получения изображений. По ее словам, «это одна из самых больших проблем: как безопасно и надежно имплантировать интерфейс высокого разрешения, а затем [заставить его] работать с человеческой зрительной системой».
Кроме того, существуют различные типы слепоты, и идеальные глаза не всегда могут дать идеальное зрение. Например, развитие мозга в младенчестве и детстве имеет решающее значение для обработки зрительного восприятия, поэтому у человека, который родился слепым, может никогда не развиться определенная область мозга, необходимая, чтобы видеть протезными глазами в дальнейшей жизни. Дорн отмечает, что все пациенты, получившие имплант Argus II — это взрослые, которые потеряли зрение относительно недавно.
Принцип подключения искусственного глаза и процесс получения исходного изображения.
И даже они добиваются сильно различающихся уровней успеха: кто-то получает способность различать свет и тьму, а кто-то может даже различать контуры предметов. Тем не менее, Дорн считает, что любая визуальная связь с окружающим миром может привести к большей независимости и большей свободе передвижения. И протезы — не единственное ценное применение искусственных глаз: такие устройства могут непосредственно использоваться в роботизированном зрении.
«Имитация естественных глаз была мечтой для многих оптических инженеров», — говорит Цзян, отмечая, что некоторые исследователи стремятся имитировать глаза млекопитающих, а другие наоборот работают с насекомоподобными сетчатыми глазами. В этой области наконец-то начинают происходить настоящие прорывы, добавляет он. «Я думаю, что примерно через 10 лет мы увидим некоторые практические применения таких бионических глаз».
