Ученые создали искусственный электрохимический глаз, способный различать буквы. Почему это важно?

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.

Читайте также:

ИИ впервые смог обмануть капчу Microsoft

В Гонконге создан бионический глаз с чувствительностью лучше, чем у человека

Даже слабый ветер делает социальное дистанцирование бесполезным

Подписывайтесь
на наши каналы в Telegram

«Хайтек»новостионлайн

«Хайтек»Dailyновости 3 раза в день

Первая полоса
ИИ нашел асимметрию материи и антиматерии на Большом адронном коллайдере
Наука
TikTok вернулся в Россию? Что известно прямо сейчас
Новости
В Японии разработали устройство 6G, которое передает данные со скоростью 100 Гбит/с
Новости
Климатологи объяснили формирование в Антарктиде полыньи размером с Чехию
Наука
Частые кризисы повысили способность человечества выживать
Наука
Физики наблюдали кота Шредингера — превращение атомов из частиц в волну
Наука
Найдена самая глубокая дыра в мире
Наука
«Вышка» заряжает карьеру в IT
Технологии
Ученые создали клей, который работает как паутина Человека-паука (почти)
Наука
Новый препарат может обратить диабет вспять
Наука
На Марсе участились полярные сияния: что это значит
Космос
Форма известной туманности оказалась совсем не такой, как считали ученые
Наука
Исламский «Экскалибур» нашли в Испании: ему больше 1000 лет
Наука
«Человеческие нейронные сети потребляют около 20 Вт, а искусственные — сотни ватт»
Технологии
Ученые преодолели одно из ключевых препятствий для термоядерной энергетики
Наука
Телескоп «Джеймс Уэбб» показал детали космической Конской Головы
Космос
Ученые выяснили, как парниковые газы влияют на распространение болезней
COVID-19
Найдены доказательства необычной силы магнитного поля Земли в прошлом
Наука
Посмотрите, как быстро робот-гуманоид управляется с домашними задачами
Новости
Ядро атома впервые возбудили лазером: это открывает сверхточные измерения времени
Наука