Ученые из Гонконгского университета науки и технологии 21 мая представили самую точную на сегодняшний день искусственную копию человеческого глаза. Созданная исследователями электрохимическая имитация уступает настоящему глазу только по разрешению — качество получаемого с него изображения намного ниже, зато по реакции на изменение освещения он многократно превосходит возможности человеческого глаза. «Хайтек» объясняет, почему ученые совершили настоящий прорыв в создании искусственного глаза и где он может использоваться в будущем.
В научной фантастике часто встречаются роботы с глазами, которые устроены так же, как человеческий глаз, или бионические протезы, которые позволяют восстановить зрение людям с врожденной или приобретенной слепотой.
В реальной жизни реализовать эту концепцию до сих пор не удавалось. Ученые предприняли множество попыток по разработке таких устройств, но изготовление сферической формы человеческого глаза — особенно полусферической сетчатки — является огромной проблемой, которая серьезно ограничивает функцию искусственных и бионических глаз.
Человеческий глаз работает следующим образом: свет, падающий на него, проходит через систему линз и попадает на рецепторы в сетчатке, которые преобразуют его в нейронные сигналы, они затем передаются в мозг.
Сохранение сферической формы крайне важно при создании искусственного глаза: она обладает широким углом обзора в 150–160 градусов и лучшей способностью к фокусировке, чем иные формы.
Кроме того, человеческий глаз с его полусферической сетчаткой имеет более оригинальную оптическую компоновку, чем, скажем, сенсоры плоских изображений в камерах: форма купола сетчатки естественным образом уменьшает распространение света, прошедшего через линзу, заостряя фокус.
Что именно создали ученые?
В основе искусственного электрохимического глаза лежит массив фотопреобразователей из перовскита, материала, который используется при производстве солнечных батарей. В устройстве он играет роль сетчатки, полусфера которой изготовлена из пористого оксида алюминия. Фотодатчики из перовскита формировались непосредственно внутри этих пор.
Тонкие гибкие провода, изготовленные из жидкого металла (эвтектического галлий-индийского сплава), запечатанные в мягкие резиновые трубки, передают сигналы от фотодатчиков нанопроволоки на внешние схемы для обработки сигналов. Эти провода имитируют нервные волокна, которые соединяют человеческий глаз с мозгом.
Искусственная сетчатка удерживается на месте креплением из силиконового полимера — это позволяет обеспечить правильное выравнивание между проводами и нанопроволокой.
Объектив в сочетании с искусственной радужкой расположен на передней части устройства, как и в человеческом глазе. Сетчатка сзади объединяется с полусферической оболочкой спереди, образуя сферическую камеру, аналог «глазного яблока».
Камера внутри глаза заполнена ионной жидкостью, которая имитирует стекловидное тело — гель, который заполняет пространство между линзой и сетчаткой в человеческом глазу. Общее структурное сходство между искусственным глазом и человеческим устройству придает широкое поле зрения — около 100°. Это сопоставимо примерно с 130° вертикального поля зрения статического человеческого глаза.
В чем важность работы?
В первую очередь в эффективности работы искусственного глаза. Например, искусственная сетчатка может обнаруживать большой диапазон интенсивности света, от 0,3 микроватт до 50 милливатт на квадратный сантиметр. При самой низкой измеренной интенсивности каждая нанопроволока в искусственной сетчатке обнаруживает в среднем 86 фотонов в секунду, что соответствует чувствительности фоторецепторов в сетчатке человека.
Кроме того, когда массив нанопроволок стимулируется регулярными, быстрыми импульсами света, он может генерировать ток в ответ на импульс всего за 19,2 миллисекунд, а затем тратит всего 23,9 миллисекунды для восстановления. Время отклика и восстановления являются важными параметрами, поскольку в конечном итоге они определяют, насколько быстро искусственный глаз может реагировать на световой сигнал. Для сравнения, время реакции и восстановления фоторецепторов в сетчатке человека колеблется от 40 до 150 миллисекунд. То есть искусственный глаз реагирует на изменение освещения быстрее.
Возможно, самым впечатляющим является относительно высокое разрешение изображения, полученного с помощью искусственной сетчатки — около 100 пикселей. Хотя у человеческого глаза около 100 рецепторов, их плотность ниже, чем в искусственном глазе (4,6 × 10 в 8 степени кв. см и 10 в 7 степени кв. см соответственно).
Что уже умеет глаз и для чего будет использоваться?
В ходе испытаний искусственный глаз смог распознать буквы I, У, А и Е, а также некоторые символы. В будущем технология может быть использована как при создании гуманоидных роботов, так и для разработки улучшенных протезов зрения. Однако до этого исследователям еще предстоит много работы.
Во-первых, массив фотодатчиков в настоящее время составляет всего 10 × 10 пикселей с промежутками между пикселями примерно 200 мкм. Это означает, что область обнаружения света имеет ширину всего около 2 мм — намного меньше, чем в глазу человека.
Кроме того, процесс изготовления искусственного глаза включает в себя несколько дорогостоящих и низкопроизводительных этапов — например, травление сфокусированным ионным пучком, который используется для подготовки каждой поры к формированию нанопроволоки.
Во-вторых, чтобы улучшить разрешение и масштаб сетчатки, исследователям необходимо уменьшить размер жидкометаллических проводов. Пока существующие методы не позволяют сделать этого. В-третьих, необходимы дополнительные испытания для установления срока службы искусственной сетчатки.
Тем не менее, исследователи рассчитывают, что электрохимический искусственный глаз будет широко использоваться через 10 лет.
