Τεχνητό μάτι με δυνατότητες που ξεπερνούν αυτές του ανθρώπινου. World-first 3D bionic eye could enable superhuman sight, night vision

To πρώτο στον κόσμο 3D τεχνητό μάτι με δυνατότητες ανώτερες από αυτές των υπαρχόντων βιονικών ματιών και, σε κάποιες περιπτώσεις, ακόμα και των ανθρώπινων, ανέπτυξε διεθνής ομάδα επιστημόνων στο Hong Kong University of Technology (HKUST), δημιουργώντας νέες ελπίδες για τους ασθενείς με προβλήματα όρασης. Scientists have developed the world's first 3D artificial eye with capabilities better than existing bionic eyes and in some cases, even exceed those of the human eyes, bringing vision to humanoid robots and new hope to patients with visual impairment. A new bionic eye called the Electrochemical Eye (EC-Eye) resembles the real thing. Credit: Hong Kong University of Science and Technology (HKUST)

Διεθνής ομάδα επιστημόνων με επικεφαλής ερευνητές του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Χονγκ Κονγκ (HKUST) ανέπτυξε το πρώτο τρισδιάστατο τεχνητό μάτι στον κόσμο. Ο τεχνητός αυτός οφθαλμός υπερέχει όλων των υπαρχόντων βιονικών ματιών ενώ σε κάποιες περιπτώσεις ξεπερνά σε δυνατότητες ακόμη και το ανθρώπινο μάτι. Το νέο επίτευγμα υπόσχεται να προσφέρει «υπεράνθρωπη» όραση ακόμη και τη νύχτα, να χαρίσει όραση στα ανθρωποειδή ρομπότ ενώ επίσης δίνει ελπίδα σε ασθενείς με προβλήματα όρασης.

Επί δεκαετίες οι επιστήμονες προσπαθούν να αντιγράψουν τη δομή και την ευκρίνεια του ανθρώπινου οφθαλμού. Ωστόσο η όραση που παρέχουν οι υπάρχοντες τεχνητοί οφθαλμοί – οι οποίοι στην πλειονότητά τους έχουν τη μορφή γυαλιών συνδεδεμένων με εξωτερικά καλώδια – είναι χαμηλής ανάλυσης με δισδιάστατους επίπεδους αισθητήρες των εικόνων.

Το Ηλεκτροχημικό Μάτι

Named EC-EYE — short for 'ElectroChemical EYE' — the eerie bio-mimetic device is around an inch wide and was built by researchers from Hong Kong and the US. Credit: Hong Kong University of Science and Technology (HKUST)

Το νέο τεχνητό μάτι που αναπτύχθηκε από τους ειδικούς του HKUST και τους συνεργάτες τους ονομάζεται Ηλεκτροχημικό Μάτι (Electrochemical Eye, EC-Eye) και αντιγράφει για πρώτη φορά με κάθε λεπτομέρεια τη δομή ενός φυσικού ματιού. Εκτιμάται ότι θα μπορεί να προσφέρει στο μέλλον οξύτερη όραση από τα ανθρώπινα μάτια με επιπλέον δυνατότητες, όπως η ικανότητα ανίχνευσης της υπέρυθρης ακτινοβολίας στο σκοτάδι.

Professor Fan and colleagues broke new ground by developing a high-density array of photosensors that serves as a retina. They are formed directly inside pores of aluminium oxide — a chemical almost as hard as diamonds. Thin, flexible wires made of a liquid metal sealed in soft rubber tubes transmit signals to external circuitry for processing — imitating neural nerve fibres. The 'retina' is held in place by a socket made from a silicone polymer. A lens with a simulated iris is placed at the front, giving it the appearance of an eyeball.

Το στοιχείο-«κλειδί» που χαρίζει στο ΕC-Eye τέτοιες δυνατότητες είναι ο 3D αμφιβληστροειδής χιτώνας που διαθέτει ο οποίος είναι φτιαγμένος από μια συστοιχία φωτοαισθητήρων φτιαγμένων από νανοκαλώδια που μιμούνται τους φωτοϋποδοχείς του ανθρώπινου αμφιβληστροειδούς. Ο τρισδιάστατος αυτός αμφιβληστροειδής αναπτύχθηκε από τον καθηγητή Ζιγιόνγκ Φαν και τον δρα Λέιλέι Γκου του Τμήματος Ηλεκτρονικής Μηχανικής και Μηχανικών Υπολογιστών στο HKUST.

A cross section of the makeup of the Electrochemical Eye (EC-Eye). HKUST

Οι ερευνητές συνέδεσαν τους φωτοαισθητήρες από νανοκαλώδια με καλώδια υγρού μετάλλου τα οποία είχαν τον ρόλο των νεύρων, πίσω από τον τεχνητό ημισφαιρικό αμφιβληστροειδή που δημιούργησαν. Κατάφεραν έτσι να αντιγράψουν τη μεταφορά του οπτικού σήματος ώστε να αντικατοπτρίζει αυτό που το μάτι έβλεπε σε μια οθόνη υπολογιστή. Στο μέλλον, οι φωτοαισθητήρες από νανοκαλώδια θα μπορούν να συνδέονται απευθείας με τα νεύρα ασθενών που εμφανίζουν βλάβες στην όραση.

Υπεροχή έναντι του ανθρώπινου ματιού

A bionic eye (pictured in this artist's impression) that is as sensitive as the human retina could give millions of people the chance to see again — and will be available in just five years.

Το νέο τεχνητό τρισδιάστατο μάτι εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με το ανθρώπινο. Στον ανθρώπινο οφθαλμό οι δέσμες των οπτικών ινών που είναι απαραίτητες για τη μετάδοση του οπτικού σήματος στον εγκέφαλο διαπερνούν τον αμφιβληστροειδή χιτώνα μέσω ενός πόρου με αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα τυφλό σημείο στην όραση. Οι φωτοαισθητήρες του τεχνητού οφθαλμού είναι όμως διάσπαρτοι σε ολόκληρο τον τεχνητό αμφιβληστροειδή και ο καθένας τους μπορεί να μεταδώσει σήματα μέσω του καλωδίου υγρού μετάλλου που διαθέτει. Με τον τρόπο αυτό καταργείται το τυφλό σημείο στην όραση αφού τα νανοκαλώδια δεν περνούν όλα από ένα σημείο.

Επιπλέον, καθώς τα νανοκαλώδια έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα από τους φωτοϋποδοχείς του ανθρώπινου ματιού, ο τεχνητός αμφιβληστροειδής μπορεί να λαμβάνει περισσότερα σήματα και πιθανώς να επιτυγχάνει καλύτερη ανάλυση των εικόνων σε σύγκριση με τον ανθρώπινο αμφιβληστροειδή. Εκτιμάται επίσης ότι με χρήση διαφορετικών υλικών τα οποία θα αυξάνουν την ευαισθησία των αισθητήρων, το τεχνητό μάτι θα επιτύχει στο μέλλον να διαθέτει λειτουργίες όπως η νυχτερινή όραση.

Η ερευνητική ομάδα του HKUST η οποία χρειάστηκε εννέα ολόκληρα χρόνια για την ανάπτυξη του τρισδιάστατου τεχνητού ματιού συνεργάστηκε με ειδικούς του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ στη συγκεκριμένη μελέτη που δημοσιεύθηκε στην επιθεώρηση «Nature».

Το επόμενο βήμα για τους ερευνητές, όπως ανέφερε ο επικεφαλής τους καθηγητής Φαν είναι «να βελτιώσουμε περαιτέρω την απόδοση, τη σταθερότητα και τη βιοσυμαβότητα της συσκευής μας».

Σαν μια νανο-ηλιακή κυψέλη

The artificial eyeball creates images by means of an assortment of tiny sensors that mirror the light-detecting photoreceptor cells of its natural counterpart. These are packed into a membrane of aluminium and tungsten that is shaped into a half sphere — mimicking a retina.

Η φιλοσοφία πίσω από το νέο τεχνητό μάτι βασίζεται σε μια ηλεκτροχημική διαδικασία την οποία υιοθετεί ένας τύπος ηλιακής κυψέλης. Θεωρητικώς, κάθε φωτοαισθητήρας του τεχνητού αμφιβληστροειδούς μπορεί να λειτουργήσει ως μια νανο-ηλιακή κυψέλη. Με κάποιες περαιτέρω τροποποιήσεις, το EC-Eye μπορεί να γίνει ένας αισθητήρας εικόνων ο οποίος θα αυτοτροφοδοτείται με ενέργεια χωρίς να χρειάζεται κάποια εξωτερική πηγή ενέργειας. Το γεγονός αυτό αναμένεται να τον καταστήσει πολύ πιο εύκολο στη χρήση σε σύγκριση με τους υπάρχοντες τεχνητούς φωτοαισθητήρες που χρησιμοποιούνται σε άτομα με προβλήματα στην όραση.

Πηγές: Leilei Gu, Swapnadeep Poddar, Yuanjing Lin, Zhenghao Long, Daquan Zhang, Qianpeng Zhang, Lei Shu, Xiao Qiu, Matthew Kam, Ali Javey, Zhiyong Fan. A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina. Nature, 2020; 581 (7808): 278 DOI: 10.1038/s41586-020-2285-x - https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-8340327/Bionic-eye-sensitive-human-retina-millions-chance-again.html - https://www.tovima.gr/2020/06/12/science/to-proto-3d-texnito-mati/