چشم مصنوعی، سنسورهای نوری متراکم بسته بندی شده با مقیاس نانومتر را در یک جزء شبکیه مانند نیم کره قرار می دهد. برخی از قابلیتهای حسی آن قابل مقایسه با همتای بیولوژیکی آن است.

داستان های علمی غالباً دارای روبات هایی هستند که دارای چشم مصنوعی اند و همچنین چشم های بیونیک که با مغز انسان ارتباط برقرار می کنند تا بینایی افراد نابینا را بازیابی کنند. تلاش فراوانی در ایجاد چنین دستگاه هایی صورت گرفته است ، اما ساختن شکل کروی چشم انسان - به خصوص یک شبکیه نیم کره - یک چالش عظیم است که عملکرد چشم های مصنوعی و بیونیک را به شدت محدود می کند. در مقاله ای در Nature، گو و همكاران  گزارش یک شبكیه نوآورانه و كاملاً نیمکره متشکل از مجموعه ای از سنسورهای نور در مقیاس نانومتر (فوتوسنسورها) را دادند که از سلولهای نوری گیرنده در شبکیه انسان تقلید می کنند. نویسندگان از این شبکیه در چشم الکتروشیمیایی استفاده می کنند که دارای چندین قابلیت قابل مقایسه با ویژگی های چشم انسان است و عملکرد اصلی دستیابی به الگوهای تصویر را انجام می دهد.


چشم انسان با شبکیه نیمکره خود، طرح نوری مبتکرانه تری نسبت به سنسورهای تصویر مسطح در دوربین ها دارد: شکل گنبدی شبکیه به طور طبیعی باعث کاهش انتشار نوری که از لنز عبور کرده است می شود ، بنابراین باعث تمرکز بیشتر می شود. مؤلفه اصلی چشم الکتروشیمیایی بیومیمیکی گو و همکاران ، آرایه با چگالی بالا فوتوسنسورهایی است که به عنوان شبکیه عمل می کند (شکل 1). این سنسورها به طور مستقیم در منافذ یک غشای نیمکره اکسید آلومینیوم Al2O3 تشکیل شدند.

retina

شکل 1 | چشم مصنوعی بیومتریک.Gu و همکاران گزارش یک سیستم تصویری مصنوعی را دادند که از چشم انسان تقلید می کند. یک لنز روی دیافراگم در "مردمک چشم" نصب شده است ، که شامل یک پوسته فلزی در قسمت جلویی ، شبکیه مصنوعی در پشت و یک مایع یونی در وسط است. پیشرفت اصلی، شبکیه نیمکره است: یک آرایه متراکم از نانوسیمهای حساس به نور که در منافذ یک غشاء اکسید آلومینیوم نگهداری می شوند. این نانوسیم ها سلولهای نور گیرنده را در شبکیه های بیولوژیکی تقلید می کنند. سوکت پلیمری شبکیه را نگه می دارد واز تماس الکتریکی بین نانوسیم ها و سیم های فلزی مایع در پشت مراقبت می کند. سیم های فلزی مایع با انتقال سیگنال از نانوسیم ها به مدارهای خارجی برای پردازش سیگنال ، فیبرهای عصبی را تقلید می کنند.

سیمهای نازک و انعطاف پذیر ساخته شده از فلز مایع (آلیاژ گالیم ایندیم) که در لوله های لاستیکی نرم بسته شده اند ، سیگنال ها را از سنسورهای نانوسیم به مدارهای خارجی برای پردازش سیگنال منتقل می کنند. این سیم ها از الیاف عصبی که چشم انسان را به مغز متصل می کند ، تقلید می کنند. لایه ای از ایندیم بین سیم های فلزی مایع و نانوسیم ها باعث برقراری تماس الکتریکی بین این دو می شود. شبکیه مصنوعی توسط سوکت ساخته شده از پلیمر سیلیکون در محل نگهداری می شود تا از تراز مناسب بین سیم و نانوسیم ها اطمینان حاصل شود.

لنزهایی که با عنبیه مصنوعی ترکیب شده اند ، در قسمت جلوی دستگاه، درست مانند چشم انسان، قرار می گیرند. شبکیه در قسمت پشتی با یک پوسته نیمکره در قسمت جلویی ترکیب می شود تا یک اتاقک کروی ("مردمک چشم") تشکیل شود. پوسته نیمکره جلو از آلومینیوم اندود شده با فیلم تنگستن ساخته شده است. محفظه پر شده از مایع یونی است که از خلط زجاجیه تقلید می کند - ژلی که فضای بین لنز و شبکیه را در چشم انسان پر کرده است. این ترتیب برای کار الکتروشیمیایی نانوسیمها ضروری است. شباهت کلی ساختاری بین چشم مصنوعی و چشم انسان به دستگاه گو و همکارانش دیدِ گسترده ی  100 درجه می بخشد. این با تقریباً 130 درجه برای دید عمودی چشم انسان استاتیک مقایسه می شود.

تقلید ساختاری چشم مصنوعی گو و همکارانش مطمئناً چشمگیر است ، اما چیزی که باعث می شود واقعاً از دستگاه هایی که قبلاً گزارش شده متمایز شود ، این است که بسیاری از قابلیت های حسی آن نسبت به نمونه های طبیعی آن مقایسه شده است. به عنوان مثال ، شبکیه مصنوعی می تواند طیف وسیعی از شدت نور را از 3/3 میکرووات تا 50 میلی وات بر سانتیمتر مربع تشخیص دهد. با کمترین شدت اندازه گیری شده ، هر نانوسیم موجود در شبکیه مصنوعی به طور متوسط ​​86 فوتون در ثانیه ، به طور هم زمان با حساسیت گیرنده های نوری در شبکیه انسان را تشخیص می دهد. این حساسیت از ماده پراسکایت استفاده شده برای ساخت نانوسیم ها ناشی می شود. ترکیباتPerovskite  مواد بسیار امیدوار کننده ای برای کاربردهای مختلف نوری و الکترونی است. پروسکایت مورد استفاده گوو همکاران، فرمامیدینیوم یدید سرب  است ، و برای خواص عالی نوری و پایداری مناسب آن انتخاب شد.

پاسخگویی نانوسیم ها ، که میزان تولید شده در هر وات نور حادثه را اندازه گیری می کند ، تقریباً برای همه فرکانس های طیف مرئی یکسان است. علاوه بر این ، هنگامی که آرایه نانوسیم توسط پالس های منظم و سریع نور تحریک می شود ، می تواند در پاسخ به یک پالس تنها در 19.2 میلی ثانیه یک جریان تولید کند و پس از آن می تواند به اندازه 23.9 ms  برای بازیابی (بازگشت به حالت غیرفعال خود) در زمانی که پالس تمام شده است، زمان بگیرد. زمان پاسخ و بازیابی پارامترهای مهمی هستند ، زیرا در نهایت مشخص می کنند چقدر چشم مصنوعی می تواند به یک سیگنال نوری پاسخ دهد. برای مقایسه ، زمان پاسخ و بازیابی نور گیرنده در شبکیه انسان از 40 تا 150 میلی ثانیه است.

شاید برجسته ترین وضوح تصویربرداری حاصل از شبکیه مصنوعی گو و همکاران باشد که از چگالی بالای آرایه نانوسیم حاصل می شود. در شبکیه های مصنوعی قبلی ، سنسورهای فتوسنتزی برای اولین بار روی بسترهای صاف و سفت ساخته شده بودند. پس از آن ، یا آنها را به سطوح پشتیبان منحنی منتقل کردند یا بستر در یک منحنی تاشو بود. این اتفاق تراکم واحدهای تصویر را محدود می کند ، زیرا فضای لازم برای انتقال یا تاشدن را باید بین آنها باقی می گذاشت.

در مقابل ، نانوسیمها در دستگاه گوو همكاران مستقیماً روی یك سطح خمیده تشكیل می شوند كه به آنها اجازه می دهد تا از فاصله نزدیكتری به هم بسته شوند. در حقیقت ، چگالی نانوسیم به بزرگی  4.6 × 108 cm–2، بسیار بیشتر از میزان گیرنده های نوری در شبکیه انسان است (حدود107 cm–2. سیگنال از هر نانوسیم به صورت جداگانه قابل دستیابی است ، اما پیکسل های موجود در دستگاه فعلی از گروه های سه یا چهار نانوسیمی تشکیل شده اند.

عملکرد کلی چشم مصنوعی گو و همکاران نشان دهنده جهشی به جلو برای چنین دستگاههایی است ، اما هنوز باید کارهای زیادی انجام شود. در مرحله اول ، آرایه فوتوسنسوردر حال حاضر تنها 10 × 10 پیکسل است ، با شکاف تقریبا 200 میکرومتر بین پیکسل ها. این بدان معنی است که منطقه تشخیص نور فقط حدود 2 میلی متر عرض دارد. علاوه بر این ، برخی از مراحل ساخت، پرهزینه و کم توان هستند. برای مثال ، یک فرایند گران قیمت که به عنوان تراش یون پرتو متمرکز شناخته می شود برای تهیه هر منافذ برای تشکیل نانوسیم استفاده می شود. روش های ساختاری با توان بالا به منظور ساخت آرایه های فوتوسنسور بزرگتر، با کاهش شدید هزینه، باید در آینده پیشرفت کند.

دوم ، برای بهبود وضوح و مقیاس شبکیه ، نیاز است که اندازه سیم های فلز مایع کاهش یابد. قطر بیرونی سیمها حدود 700 میکرومتر است ، اما این در حالت ایده آل باید با قطر نانوسیم (چند میکرومتر) قابل مقایسه باشد. در حال حاضر کاهش قطر سیم های فلزی مایع به اندازه آن چالش برانگیز است.

سوم ، آزمایش های بیشتری برای تعیین عمر عملیاتی شبکیه مصنوعی مورد نیاز است. گو و همکاران گزارش دادند که بعد از نه ساعت کار، کاهش قابل توجهی در عملکرد آن وجود ندارد ، اما عملکرد سایر دستگاه های الکتروشیمیایی می تواند به مرور زمان وخیم شود. سرانجام ، نویسندگان توجه دارند که زمان پاسخ و بازیابی دستگاه آنها در غلظت های بالاتر مایع یونی کاهش می یابد ، اما با هزینه انتقال نور از طریق مایع. بهینه سازی بیشتر ترکیب مایع یونی برای رفع این مشکل مورد نیاز است.

با این وجود ، کارهای گو و همکارانش به پیشرفت هایی که در چند دهه گذشته صورت گرفته است می افزاید ، که با تقلید، نه تنها چشم های دوربین مانند (مانند کار انسان ها) بلکه چشم های ترکیبی شبیه به حشرات حاصل شده است. با توجه به این پیشرفت ها ، به نظر می رسد ممکن است در دهه آینده شاهد استفاده گسترده از چشمان مصنوعی و بیونیک در زندگی روزمره باشیم.

منبع: Nature

doi: 10.1038/d41586-020-01420-7

مترجم: حدیثه قدمگاهی، دانشجوی رشته مهندسی پزشکی دانشگاه نیشابور