Crean un ojo artificial capaz de imitar la resolución de la visión humana

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Un equipo de científicos creo un ojo artificial que imita el funcionamiento de la visión humana, mejorando específicamente la calidad de la imagen, según expone un estudio que publica la revista Nature.

La ciencia ficción con frecuencia presenta robots que tienen ojos artificiales, así como ojos biónicos que interactúan con el cerebro humano para restaurar la visión de las personas ciegas. Se ha hecho un gran esfuerzo para desarrollar cuentos dispositivos, pero fabrica la forma esférica de un ojo humano, particularmente una retina hemisférica, es un desafío enorme que limita severamente la función de los ojos artificiales y biónicos. En un artículo en Nature, Gu et al. 1reportan una retina hemisférica cóncava innovadora que consiste en una serie de sensores de luz a escala nanométrica (fotosensores) que imitan las células fotorreceptoras en las retinas humanas. Los autores usan esta retina en un ojo electroquímico que tiene varias capacidades comparables a las del ojo humano, y la realización de la función básica de adquirir patrones de imagen.

El ojo humano, con su retina hemisférica, tiene un diseño óptico más ingenioso que, por ejemplo, el de los sensores de imagen plana en las cámaras: la forma del domo de la retina reduce naturalmente la propagación de la luz que ha pasado a través de la lente, lo que agudiza el enfoque. El componente central del ojo electroquímico biomimético de Gu y sus colegas es el conjunto de fotosensores de alta densidad que sirve como retina (Fig. 1). Los fotosensores se formaron directamente dentro de los poros de una membrana hemisférica de óxido de aluminio (Al 2 O 3).

Los alambres finos y flexibles hechos de un metal líquido (aleación eutéctica de galio-indio) sellados en tubos de goma suave transmiten señales desde los fotosensores de nanocables a los circuitos externos para el procesamiento de señales. Estos cables imitan las fibras nerviosas que conectan el ojo humano con el cerebro. Una capa de indio entre los cables de metal líquido y los nanocables mejora el contacto eléctrico entre los dos. La retina artificial se mantiene en su lugar mediante un zócalo hecho de un polímero de silicona, para una alineación adecuada entre los cables y los nanocables.

Se coloca una lente combinada con un iris artificial en la parte frontal del dispositivo, al igual que en el ojo humano. La retina en la parte posterior se combina con una concha hemisférica en la parte delantera para formar una cámara esférica (el "globo ocular"); La carcasa hemisférica frontal está hecha de aluminio forrado con una película de tungsteno. La cámara está llena de un líquido iónico que imita el humor vítreo, el gel que llena el espacio entre la lente y la retina en el ojo humano. Esta disposición es necesaria para la operación electroquímica de los nanocables. La similitud estructural general entre el ojo artificial y el ojo humano confiere al dispositivo de Gu y sus colegas un amplio campo de visión de 100 °. Esto se compara con aproximadamente 130 ° para el campo de visión vertical de un ojo humano estático.

La imitación estructural del ojo artificial de Gu y sus colegas es ciertamente impresionante, pero lo que lo distingue realmente de los dispositivos reportados anteriormente es que muchas de sus capacidades sensoriales se comparan favorablemente con las de su contraparte natural. Por ejemplo, la retina artificial puede detectar un amplio rango de intensidades de luz, desde 0.3 microwatts a 50 miliwatts por centímetro cuadrado. A la intensidad más baja medida, cada nanocable en la retina artificial detecta un promedio de 86 fotones por segundo, a la par con la sensibilidad de los fotorreceptores en las retinas humanas. Esta sensibilidad deriva del material de perovskita utilizado para fabricar los nanocables. Los compuestos de perovskita son materiales extremadamente prometedores para diversas aplicaciones optoelectrónicas y fotónicas 2 . La perovskita utilizada por Gu et al.. es yoduro de plomo formamidinio, y fue elegido por sus excelentes propiedades optoelectrónicas y buena estabilidad.

La capacidad de respuesta de los nanocables, que mide la corriente producida por vatio de luz incidente, es casi la misma para todas las frecuencias del espectro visible. Además, cuando la matriz de nanocables es estimulada por pulsos de luz rápidos y regulares, puede producir una corriente en respuesta a un pulso en solo 19.2 milisegundos, y luego puede tomar tan poco como 23.9 ms para recuperarse (volver a su estado inactivo) cuando El pulso ha terminado. Los tiempos de respuesta y recuperación son parámetros importantes, porque en última instancia determinan qué tan rápido el ojo artificial puede responder a una señal de luz. A modo de comparación, los tiempos de respuesta y recuperación de los fotorreceptores en las retinas humanas varían de 40 a 150 ms.

Quizás lo más impresionante es la alta resolución de las imágenes logradas por la retina artificial de Gu y sus colegas, que resulta de la alta densidad de la matriz de nanocables. En retinas artificiales anteriores, los fotosensores se fabricaron primero sobre sustratos planos y rígidos; después de eso, o se transfirieron a superficies de soporte curvas 3 o el sustrato se dobló en una curva 4 . Esto limitó la densidad de las unidades de imagen, porque había que dejar espacio entre ellas para permitir la transferencia o el plegado.

Por el contrario, los nanocables en Gu y el dispositivo de los compañeros de trabajo se forman directamente sobre una superficie curva, lo que les permite empaquetarse más estrechamente. De hecho, la densidad de nanocables es tan alta como 4.6 × 10 8  cm –2 , mucho mayor que la de los fotorreceptores en la retina humana (aproximadamente 10 7 cm –2 ). La señal de cada nanocable se puede adquirir individualmente, pero los píxeles en el dispositivo actual se formaron a partir de grupos de tres o cuatro nanocables.

El rendimiento general del ojo artificial de Gu y sus colegas representa un gran avance para tales dispositivos, pero aún queda mucho por hacer. Primero, la matriz de fotosensores actualmente tiene solo 10 × 10 píxeles, con espacios de aproximadamente 200 µm entre los píxeles; Esto significa que la región de detección de luz tiene solo unos 2 mm de ancho. Además, el proceso de fabricación implica algunos pasos costosos y de bajo rendimiento: por ejemplo, un proceso costoso conocido como grabado de haz de iones enfocado se utiliza para preparar cada poro para la formación de nanocables. Los métodos de fabricación de alto rendimiento deben desarrollarse en el futuro para producir matrices de fotosensores más grandes, a un costo drásticamente reducido.

En segundo lugar, para mejorar la resolución y la escala de la retina, será necesario reducir el tamaño de los cables de metal líquido. El diámetro exterior de los cables es de aproximadamente 700 µm, pero esto debería ser idealmente comparable al diámetro del nanocable (unos pocos micrómetros). Actualmente es un desafío reducir el diámetro de los cables de metal líquido a ese tamaño.

Tercero, se necesitan más pruebas para establecer la vida útil operativa de la retina artificial. Gu y col . informan que no hay una reducción obvia en su rendimiento después de nueve horas de funcionamiento, pero el rendimiento de otros dispositivos electroquímicos puede deteriorarse con el tiempo. Por último, los autores señalan que los tiempos de respuesta y recuperación de su dispositivo se reducen a concentraciones más altas del líquido iónico, pero a expensas de la transmisión de luz a través del líquido. Se necesita una mayor optimización de la composición líquido iónico para abordar este problema.

Sin embargo, el trabajo de Gu y sus colegas se suma a los avances que se han logrado en las últimas décadas 3 - 9, que se han logrado imitando no solo los ojos de cámara (como los de los humanos), sino también ojos compuestos similares a los de los insectos Dados estos avances, parece factible que puedan tener presencia el amplio uso de los ojos artificiales y biónicos en la vida diaria en la próxima década.

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