Разработка правильно функционирующего глаза стала бы настоящим спасением для людей, утративших зрение, и сделала бы большой прорыв в робототехнике. К сожалению, современные визуальные датчики далеки от совершенства и уникальной структуры естественного человеческого глаза. Однако теперь ученым, похоже, удалось максимально имитировать его структуру и создать искусственный глаз, который воспроизводит многие из возможностей естественного.

Главная сложность в попытке подражать природе

Ключевой частью того, что делает конструкцию глаза настолько уникальной и сложной, является его форма – одна из самых трудных для подражания. Вогнутая часть сетчатки плотно покрыта фоторецепторами, что позволяет вбирать в себя гораздо больше света, проходящего через изогнутую линзу, чем если бы она была плоской. Но воспроизвести этот изогнутый сенсорный массив оказалось чрезвычайно трудно.

В большинстве предыдущих разработок использовались фотодатчики на плоских поверхностях, которые потом пытались пересадить на имитацию изогнутой части сетчатки, но дело в том, что плоские фотодатчики никак не удавалось разместить с необходимой плотностью и обеспечить плавный изгиб. Между ними оставалось много незанятого пространства, и получалось, что зона захвата и разрешение бионического глаза были в сотни раз хуже, чем у естественного.

В новой статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи из Гонконгского университета науки и технологии описали разработанный ими способ встраивания фотодатчиков непосредственно в искусственную сетчатку глаза. Это позволило им создать устройство, которое может имитировать широкое поле зрения, что значительно ближе по разрешению человеческому глазу.

d0a1f0f723ecd68d5fed8431c11e2556.png

Суть разработки

Ключом к прорыву стал оригинальный способ имплантации фотодатчиков в куполообразную искусственную сетчатку. Команда создала полусферу из оксида алюминия, плотно усыпанную наноразмерными порами, внутри которых были выращены нанопроволоки типа светочувствительного соединения, используемого в солнечных элементах. Эти нанопроволоки действуют как искусственный эквивалент фоторецепторов. Когда свет проходит над ними, они передают электрические сигналы, которые улавливаются жидкими металлическими проводами, прикрепленными к задней части сетчатки. Исследователи создали другое полушарие, изготовленное из алюминия с линзой в центре, которое выступает в качестве внешней оболочки глаза, и заполнили пространство между ней и сетчаткой ионной жидкостью, которая предназначена для имитации глазной жидкости.

И лучше, и хуже оригинала одновременно

Затем исследователи подключили бионический глаз к компьютеру и продемонстрировали, что он способен распознавать серию букв. Хотя искусственный глаз не мог достичь угла обзора естественного человеческого глаза в 130 градусов, но он смог выдержать угол в 100 градусов, что является значительным улучшением по сравнению с примерно 70 градусами, которых удавалось достичь при помощи плоских датчиков.

Однако оказалось, что в некоторых областях принципы этой разработки способны улучшить способности человеческого глаза. Исследователи обнаружили, что фотоприемники на нанопроводах на самом деле значительно более чувствительны. Они активировались за 19,2 миллисекунды и восстанавливались до готовности к повторной активации через 23,9 миллисекунды. Эти же значения активации и восстановления человеческих фоторецепторов колеблются в диапазоне от 40 до 150 миллисекунд. Также плотность нанопроволок в искусственной сетчатке более чем в десять раз превышает плотность фоторецепторов в человеческом глазу, что позволяет предположить, что эта технология может в конечном итоге достичь гораздо более высокого разрешения.

1291596.jpg

Сложности в погоне за природой: и что же дальше?

Несмотря на значительный прогресс в воспроизводстве самого устройства глаза, существует очень много сложностей с его дальнейшим подключением и передачей сигнала. Большим ограничением на данный момент является подключение фотодатчиков. Соединения жидкого металла, которые дальше принимают сигнал, в настоящее время на два порядка шире, чем нанопроволоки-фоторецепторы, и к задней части сетчатки можно прикрепить только 100 проводов. Это означает, что, несмотря на плотность фотодатчиков и их потенциал, разрешение глаза составляет всего 100 пикселей. Ученые сейчас активно работают как раз над этой частью задачи, и ищут возможные решения при помощи магнитных полей и микроигл. Тем не менее, тот прогресс, которого им уже удалось достигнуть, внушает большую надежду, что мы сможем стать свидетелями широкого использования искусственных и бионических глаз в повседневной жизни в течение следующего десятилетия.

Автор: Юлия ДОЛЖЕНКОВА.