У науковій фантастиці дуже часто зображуються роботи зі штучними очима, а також люди із біонічними очима, які напряму підключені до мозку та дозволяють відновити зір сліпим. Для розробки таких пристроїв було докладено багато зусиль, але виготовлення сферичної форми ока людини – особливо напівсферичної сітківки – є величезною проблемою, яка обмежує функціонал штучних та біонічних очей.

Але нещодавно Leilei Gu з колегами у статті журнала Nature розказали про інноваційну, увігнуту напівсферичну сітківку, яка складається із масиву нанофоторецепторів, які імітують фоторецепторні клітини сітківки людини. Автори використовують цю сітківку в електрохімічному оці, що має певні можливості, які можна порівняти із можливостями людського ока, і виконує основну функцію – сприймання патернів зображень.

Людське око зі своєю напівсферичною сітківкою має більш геніальне оптичне влаштування, аніж плоскі сенсори у камерах: куполовидна форма сітківки природно зменшує розповсюдження світла, яке пройшло через кришталик, тим самим загострюючи фокус. Ключеовим компонентом біомімчного електрохімічного ока Gu є масив фотосенсорів високої щільності, який служить сітківкою (зображення 1). Фотосенсори знаходяться прямо всередині пор напівсферичної мембрани із оксиду алюмінію (Al2O3).

Зображення 1: Загальна схема влаштування штучного ока

Тонкі гнучкі дроти, виготовлені із рідкого металу (евтектичний сплав галію-індію), запечатані в м’які гумові трубки, передають сигнали від нанофоторецепторів до зовнішньої схеми обробки сигналів. Ці дроти імітують людські нерви, які поєднують очі із головним мозком. Шар із індію між рідким металевим дротом та фоторецептором покращує електронний контакт між ними. Штучна сітківка утримується на місці за допомогою елементу із силіконового полімеру, який забезпечує належне прилягання між дротами та рецепторами.

Кришталик разом зі штучною райдужкою розміщений в передній частині пристрою, так само, як в людському оці. Сітківка, яка знаходиться ззаду, поєднується із напівсферичною оболонкою спереду, утворюючи сферичну камеру (“очне яблуко”). Передня напівсфера виготовлена із алюмінію, облицьованого вольфрамовою плівкою. Утворена камера наповнена іонною рідиною, яка імітує скловидне тіло – гель, який заповнює очне яблуко людини між кришталиком та сітківкою. Таке розташування необхідне для електрохімічних процесів в нанофоторецепторах. Загальна структурна схожість між штучним та людським оком надає пристрою Gu можливість сприймати широке поле зору у 100°. Це порівнюється із приблизно 130° вертикального поля зору статичного людського ока.

Структурна мімікрія пристрою Gu та колег дійсно вражає, однак що дійсно виділяє його на фоні раніше розроблених пристроїв, так це сенсорні можливості, які вигідно порівнюються із природними аналогами. Наприклад, штучна сітківка може виявляти великий діапазон інтенсивності світла, починаючи від 0.3 мкВт аж до 50 міліват на квадратний сантиметр. При вимірюванні за найнижчої інтенсивності, кожен нанофоторецептор виявляє, в середньому, 86 фотонів за секунду, нарівні із фоторецепторами сітківки людини. Ця чутливість досягається за допомогою матеріалу перовськіту, із якого зроблені нанофоторецептори. Перовськітові сполуки є дуже перспективними матеріалами для різноманітних оптоелектронних та фотонних застосувань. Перовськіт, який використовували Gu з колегами являє собою йодид формамідінію свинця, і був обраний за його чудові оптоелектричні властивості і хорошу стабільність.

Реактивність нанофоторецепторів є майже однаковою для усіх частот видимого спектру. Більше того, коли масив рецепторів стимулюється постійними швидкими імпульсами світла, він може видавати струм у відповідь на імпульс усього за 19.2 мілісекунди, а потім, після закінчення імпульсу, відновитись (повернутись до неактивного стану) за 23.9 мілісекунди. Час реактивності та відновлення є дуже важливими параметрами, оскільки вони, зрештою, визначають як швидко штучне око відповідає на світловий сигнал. Для порівняння, час реактивності та відновлення у сітківки людини становить від 40 до 150 мілісекунд.

Мабуть, найбільш вражаючою є роздільна здатність штучної сітківки, яка була досягнута за допомогою високої щільності нанофоторецепторів. У попередніх штучних сітківках фотосенсори спочатку виготовлялись на плоских та жорстких підкладках. Після цього їх або переносили на вигнуті опорні поверхні, або вигинали саму підкладку. Це обмежувало щільність фоточутливих одиниць, оскільки між ними необхідно було залишати простір для переносу або складання.

На відміну від вищенаведеного варіанту, нанофоторецептори в штучному оці Gu та колег виготовляються безпосередньо на вигнутій поверхні, що дозволяє їм бути згрупованими ближче. Дійсно щільність нанофоторецепторів досягає 4.6 × 10⁸ cm^–2 , що є набагато більше, аніж у людській сітківці (приблизно 10⁷ cm^–2). Сигнал від кожного нанофоторецептора може бути отриманий окремо, але пікселі в даній моделі пристрою формувались із групи 3-4 одиниць.

Загальна продуктивність штучного ока Gu це дуже великий стрибок вперед для пристроїв такого типу, але все ще слід багато чого зробити. По-перше, наразі фотосенсорний масив становить лише 10х10 пікселів – приблизно 200 мкм проміжки між пікселями. Це означає, що область, яка сприймає світло має розміри лиш 2 мм в ширину. Крім того, процес виготовлення включає в себе затратні кроки та етапи з низькою продуктивністю. Наприклад, для підготовки кожної пори під нанофоторецептор використовується дорогий процес травлення сфокусованим іонним променем. Тому в майбутньому мають бути розроблені більш продуктивні методи, щоб ми отримали можливість виготовляти більші фотосенсорні масиви.

По-друге, для поліпшення роздільної здатності та розміру такої сітківки, слід буде зменшити розмір дротів із рідкого металу. Зовнішній діаметр дротів зараз становить близько 700 мкм, але, в ідеалі, він має відповідати розмірам нанопровідників (кілька мікрометрів). Зараз зменшити діаметр дротів до такого розміру дуже важко.

По-третє, необхідно провести тестування, щоб встановити термін експлуатації штучної сітківки. Gu з колегами повідомляють, що зараз не спостерігається зниження продуктивності сітківки після дев’яти годин безперервної роботи, але продуктивність інших електрохімічних пристроїв може погіршуватись з часом. І, нарешті, автори відзначають, що час реактивності та відновлення їх пристрою зменшуються при більш високих концентраціях іонної рідини, але за рахунок проходження світла через цю рідину. Для вирішення цієї проблеми необхідна подальша оптимізація іонно-рідинного складу.

Однак, ти не менш, робота Gu і його колег приєднується до списку проривів, які були здійснені за останні десятиліття, та були досягнуті завдяки наслідуванню не тільки камероподібних людських очей, а й складних очей, таких як у комах. Враховуючи ці результати, схоже на те, що ми можемо стати свідками поширення штучних та біонічних очей у повсякденному житті протягом останнього десятиліття.

Оригінальна стаття була опублікована 20 травня 2020 року в журналі Nature.