Людське око - це складний інструмент: зображення потрапляють через вигнуту лінзу на передній частині сфери і проходять через її густу склоподібну рідину, перш ніж потрапляти на світлочутливу сітківку, яка передає сигнал на зоровий нерв, що переносить малюнок на мозок. Інженери намагаються повторити цю структуру вже близько десятиліття. Тепер нове штучне око успішно імітує сферичну форму природного інструменту. Дослідники сподіваються, що це досягнення може призвести до більш різкого роботизованого зору та протезування пристроїв. Документ про розробку був опублікований у середу у "Nature", повідомляє "Scientific American".
"Дослідження побудовано на тому, що перовскіт, струмопровідний і світлочутливий матеріал, що використовується в сонячних батареях, може бути використаний для створення надзвичайно тонких нанопроводів довжиною кілька тисячних міліметрів. Ці дроти імітують структуру довгих тонких фоторецепторних клітин очей", - стверджує співавтор дослідження Джійонг Фан, інженер-електронник та комп'ютер з університету науки і техніки Гонконгу. "Але складність полягає в тому, як ми можемо сформувати масив нановірок у півсферичному субстраті для формування цієї півсферичної сітківки?", - додає він. Побудова вигнутої сітківки важлива, оскільки світло потрапляє на неї лише після проходження крізь вигнуту лінзу. "Коли ви намагаєтесь щось зобразити, зображення, яке утворюється після лінзи, насправді вигнуте", - каже Гонгруй Цзян, інженер-електрик з Університету Вісконсіна - Медісон, який переглянув новий документ, але не був безпосередньо причетний до роботи. "Якщо у вас плоский датчик, зображення не можна фокусувати дуже різко. Сітківка вигнута, але електронні датчики світла жорсткі і плоскі".
Після того, як вони отримали свою вигнуту "сітківку", вчені включили її до штучного ока, що містив вигнуту лінзу спереду. Натхненна спеціалізованою рідиною справжнім оком, команда заповнила свою біоміметичну версію іонною рідиною, типом рідкої солі, в якій можуть рухатися заряджені частинки. "Один дуже важливий компонент всередині знаходиться в порожнині, яку ми наповнювали [іонними] рідинами", - говорить Фан. "Як тільки ці нанопровідники генерують заряди, заряд буде обмінятися з деякими іонами." Цей електричний обмін дозволяє перовскитовим нанопроводам виконувати електрохімічну функцію виявлення світла та передачі цього сигналу зовнішній електроніці для обробки зображень.
Коли команда випробувала штучне око, йому вдалося обробити світлові візерунки всього за 19 мілісекунд - половину часу, необхідного людському оці. І він створював зображення, які мали більший контраст і чіткіші краї, ніж ті, що генеруються плоским датчиком зображення з однаковою кількістю пікселів. Деяким чином штучне око покращило природний зір: воно могло набрати більший діапазон довжин хвиль і обминає сліпу пляму.
Науковець сподівається співпрацювати з медичними дослідниками для створення протезних пристроїв на основі дизайну його команди. Однак це може зажадати значно більшого розвитку. Штучне око "дійсно елегантне; це виглядає як дивовижна робота", - каже Джессі Дорн, віце-президент з клінічних та наукових питань біомедичної компанії "Second Sight", яка не брала участь у дослідженнях. "Але [автори дослідження] не говорять про те, як це могло бути пов'язане з зоровою системою людини". Вона працює над пристроями для лікування сліпоти, включаючи протез сітківки під назвою "Argus II", і вказує, що розробка електронного інтерфейсу - лише перший крок. Такий пристрій потрібно буде взаємодіяти з людським мозком для отримання зображень. "Це одна з найбільших проблем: як безпечно та надійно імплантувати будь-який інтерфейс високої роздільної здатності, а потім [працювати] з візуальною системою людини".
Крім того, існують різні типи сліпоти, і досконалі очі не завжди можуть створювати ідеальний зір. Наприклад, розвиток мозку в дитинстві та дитинстві має вирішальне значення для обробки візуальних даних, тому людина, яка народжується сліпою, ніколи не може мати проводку мозку, яку потрібно бачити через протезні очі в подальшому житті. Дорн зазначає, що реципієнтами імплантату Аргуса II є всі дорослі, які втратили зір значно пізніше. І навіть вони мають різний рівень успішності: одні лише здобувають здатність диференціювати світло і тінь, а інші можуть обробляти фігури. Тим не менш, вона каже, що будь-який візуальний зв'язок із навколишнім середовищем може призвести до більшої незалежності та більшої свободи руху. А протези - не єдине цінне застосування штучних очей: такі пристрої можуть мати негайне застосування в робототехнічному зорі.
"Імітація природних очей була мрією для багатьох інженерів-оптиків", - каже Цзян, зазначаючи, що деякі дослідники прагнуть наслідувати очі ссавцям, а інші працюють із спорідненими комахами. Поле нарешті починає мати справжні прориви, додає він. "Я думаю, що приблизно через 10 років ми повинні побачити кілька відчутних практичних застосувань цих біонічних очей".
