Ученые создали сетчатку глаза
Zhiyong Fan et al. / Nature, 2020
Ученые разработали электрохимический глаз с высокой разрешающей способностью и скоростью отклика. Хрусталик они заменили на линзу, стекловидное тело — на ионный электролит, сетчатку — на светопоглощающий массив нанонитей перовскита, а вместо нейронов использовали жидкометаллические провода из галлия и индия. Такая система успешно распознала буквы I, У, А и Е. Работа опубликована в журнале Nature.
Человеческие глаза за счет вогнутой полусферической сетчатки и светоуправляющих компонентов внутриглазной жидкости обладают широким полем зрения в 150-160 градусов, высоким разрешением в одну угловую минуту (одна шестидесятая градуса), а также хорошей адаптивностью. Исходя из этого, ученые и инженеры заинтересованы в разработке искусственного аналога. Предполагается, что он найдет применение в робототехнике.
В сетчатке человеческого глаза расположены палочки (отвечают за изумрудно-зеленую область спектра и обеспечивают ночное зрение) и колбочки (фиолетово-синяя, зелено-желтая и желто-красная области спектра). Их плотность достигает десяти миллионов на квадратный сантиметр со средним шагом в три микрометра, что и создает такую высокую разрешающую способность. На сегодняшний день инженеры производят доступные сенсоры на основе приборов с зарядовой связью и комплементарных структур металл-оксид-полупроводник, которые в основном используют плоскую архитектуру из-за распространенного процесса получения плоских микросхем. Подобные устройства уже достигли схожей разрешающие способности, но из-за технологической сложности получения устройства в форме полусфер практически не реализуются. Кроме того, в последнее время ученые активно развивали светопоглощающие массивы гибридных перовскитов в качестве фотодетекторов.
Чжиюн Фань (Zhiyong Fan) с коллегами из Гонконгского университета науки и технологии представили искусственную зрительную систему на основе сферических электрохимических глаз с полусферической сетчаткой из плотного массива нанонитей светочувствительного гибридного перовскита. В качестве аналога стекловидного тела они использовали жидкий ионный электролит, а жидкометаллические провода соединяли светочувствительную структуру с выводящими контактами. Такая система показала низкий предел обнаружения и широкое поле зрения. Более того, светочувствительный слой получился более плотным, чем у человеческого глаза, что повышает разрешающую способность зрительной системы.
Биоподражание структуре реального глаза
Zhiyong Fan et al. / Nature, 2020
Ученые получили такой глаз следующим образом. С помощью полусферических пресс-форм они изгибали алюминиевую фольгу с толщиной в полмиллиметра для получения полусферической оболочки, которую затем подвергали анодизации для получения пористого слоя оксида алюминия толщиной в 40 микрометров с заданным размером пор. После этого авторы нанесли свинец на дно пор алюминиевой матрицы методом электроосаждения и затем протравили поверхность для избавления от незаполненной матрицы и оставшегося алюминия. Полученные пленки перенесли в трубчатую печь и подвергал конверсии в нанонити перовскита — йодида свинца формамидиния. Для увеличения адгезии на поверхность пленок напылили слой индия в 20 нанометров.
Контактный массив жидкого металла исследователи обеспечили полидиметилсилоксановой формой в виде ежа (такую форму напечатали на 3D принтере). В мягкие трубки они залили расплав индия и галлия, а затем соединили форму со светочувствительным слоем. Чтобы избежать точечного подключения каждого пикселя нанопроводами напрямую, ученые использовали жидкий металл, который самостоятельно создаст контакт за счет поверхностного натяжения. В передней алюминиевой полусфере глаза авторы работы сделали отверстие, а остальную часть полусферы покрыли вольфрамом, который служит противоэлектродом для электрохимического оптического детектора. Они склеили полусферы между собой с помощью эпоксидного клея, во внутреннюю область залили жидкий ионный электролит бис(трифторметилсульфонил)имид и йодид 1-бутил-3-метилимидазола, а в конце приклеили в отверстие передней полусферы собирающую линзу. Авторы сконструировали прототип с сотней пикселей с разрешением в 1,6 миллиметра из-за толщины жидких проводов, которую сложно уменьшить до нескольких микрометров, однако в будущем они намерены использовать металлические микроиглы микрометрового диаметра.
Zhiyong Fan et al. / Nature, 2020
Zhiyong Fan et al. / Nature, 2020
Массив из нанопроводов перовскита имеет минимальное разрешение в 500 нанометров, что соответствует плотности пикселей в 460 миллионов на квадратный сантиметр, что гораздо больше, чем в человеческой сетчатке, что потенциально можно будет использовать в оптических сенсорах для имитации человеческих глаз, если решить проблему электрического контакта каждого пикселя.
Чтобы проверить качество фотодетектирования, ученые провели серию экспериментов с пикселями. Время отклика и восстановления составило 32 и 40,8 миллисекунд, соответственно. Модифицировав структуру поверхности и увеличив концентрацию ионного электролита, ученые снизили сопротивление контактного перехода и достигли значений в 19,2 и 23,9 миллисекунды, что в два раза быстрее, чем у человеческого глаза (40-150 миллисекунд), но увеличение концентрации ионного электролита приводит к увеличению потерь света при прохождении через более плотный слой, а потому в будущем эту проблему тоже предстоит решить.
Схематическое и рассчитанное поле зреня для плоской и полусферической структуры
Zhiyong Fan et al. / Nature, 2020
Внешний вид печатной платы сглазом
Zhiyong Fan et al. / Nature, 2020
Ученые измерили зависимость фототока от мощности падающего излучения в широком промежутке от 0,3 микроватт до 50 милливатт на квадратный сантиметр и обнаружили, что отклик увеличивается с падением мощности излучения. Такая система может достичь фототока в 303,2 миллиампер на ватт, что обгоняет существующие электрохимические фотодетекторы и идет наравне с твердотельными фотодетекторами на основе перовскитных нанонитей. После 64800 циклов работы авторы не заметили потерь характеристик.
Для определения прямой способности глаз к детектированию картинок инженеры провели тест на буквах I, Е, У и А. Полученное изображение — черно-белое, так как в отличие от человеческого глаза в такой системе лишь одно светопоглощающее вещество. В сравнении с плоскими оптическими сенсорами, полусферическая форма электрохимического глаза обеспечивает более равномерное расстояние между пикселями и объективом, в результате чего увеличивается широта поля зрения и улучшается фокусировка на каждом пикселе.
Преобразование пикселей на полусфере в плоскость
Zhiyong Fan et al. / Nature, 2020
Ученые разрабатывают не только глаза для роботов, но и модернизируют человеческие глаза. Два года назад китайские ученые разработали светочувствительную кожу с возможностью автономного функционирования за счет колебательной энергии моргания. Такое устройство можно напрямую подключить к головному мозгу и использовать в качестве искусственной сетчатки глаза.
Артем Моськин
Источник
Команда исследователей из Гонконгского университета науки и техники, Калифорнийского университета и Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли создала искусственный глаз, который по своим параметрам и функциям приближается к человеческому органу. Об открытии исследователи написали в статье, опубликованной в журнале Nature.
В научно-фантастических фильмах и книгах часто описываются роботы или киборги, зрение которых значительно превосходит человеческое благодаря специальным бионическим глазам. Однако в реальности реализовать такую технологию отнюдь не просто. На практике создание устройств искусственного зрения со сферической формой и полусферической сетчаткой оказалось довольно сложной задачей.
До сих пор ученым удавалось создавать бионические глаза, но их функциональность была сильно ограниченной. В новой работе исследователей из США и Китая сообщается о создании искусственного глаза, который очень близок по своим параметрам, включая размер и способность фокусировки, к человеческому «оригиналу». Чтобы сделать это, ученые фактически, построили устройство по образу и подобию естественного биологического глаза, сохранив форму его частей.
Новый искусственный глаз покрыт защитной оболочкой из вольфрама с нанесенным на нее алюминием. В его передней части, как и у обычного глаза, расположен хрусталик и радужка, а сзади — сетчатка. Корпус устройства заполнен ионной жидкостью. Но все это использовалось в искусственных зрительных системах и ранее. А вот что действительно отличает устройство от аналогов — это сетчатка. Она создана на основе оксида алюминия, который содержит множество пор с фотодетекторами внутри.
В задней части сетчатки находятся тонкие гибкие провода, изготовленные из эвтектического галлий–индиевого сплава и заключенные в мягкие резиновые оболочки. Сетчатка удерживается на месте специальной полимерной конструкцией, которая обеспечивает электрический контакт между перовскитными нанопроволоками и проводами с жидким сплавом сзади. Нанопроволоки соединяются вместе и подключаются к компьютеру, который обрабатывает информацию, поступающую от сетчатки глаза.
Искусственный глаз способен реагировать на тот диапазон интенсивностей света, что и человеческий глаз. Кроме того, новое бионическое устройство не уступает «оригиналу» и в светочувствительности, его реакция на изменения интенсивности света даже быстрее, чем у естественного глаза. Устройство способно создавать изображения в очень высоком разрешении, по крайней мере в теории. В нынешней версии глаза нанопроволоки соединены вместе в группы из трех или четырех проводов, что обеспечивает разрешение глазного яблока всего 10×10 пикселей, что довольно мало.
Это связано с размером проводов по сравнению с датчиками. Для создания практически применимого искусственного глаза, который обладал бы разрешением человеческого, необходимо будет соединить миллионы ультратонких проводов с сетчаткой. На данный момент исследователи как раз работают над этим и рассчитывают, что в течение 10 лет первый прототип устройства будет готов к использованию людьми.
Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс. Новостей и читайте нас чаще.
Видео дня. Голый мужчина поставил на уши Росгвардию
Источник
Ученые разработали имплантат сетчатки глаза, с помощью которого им уже удалось вернуть зрение крысам. Изобретатели планируют перейти к испытаниям на людях уже в этом году.
Имплантат, который преобразует свет в электрические сигналы, стимулирующие нейроны сетчатки, даст надежду миллионам людей, страдающих от дегенерации сетчатки, включая пигментный ретинит, при котором нарушается работа фоторецепторов, что приводит к слепоте.
Сетчатка — это внутренняя оболочка глаза. В ней содержатся миллионы фоторецепторов, необходимых для зрения. Однако мутация даже в одном из 240 связанных с формированием сетчатки генов может привести к дегенерации сетчатки, при которой светочувствительные клетки отмирают, а нейроны сетчатки при этом продолжают функционировать.
Команда специалистов из Итальянского института технологий смогла разработать протез сетчатки, который берет на себя ее функции.
Имплантат состоит из тонкого слоя электропроводящего полимера, расположенного на основанном на шелке субстрате, и внешнего покрытия из полупроводящего полимера. О результатах работы ученые рассказали в журнале Nature Materials.
Полупроводящий полимер действует как фотоэлектрический материал, поглощая фотоны, когда свет попадает на хрусталик — биологическую линзу, преломляющую свет. Когда это происходит, электричество стимулирует нейроны сетчатки, заполняя пространство между поврежденными фоторецепторами.
Чтобы проверить новинку, ученые имплантировали искусственную сетчатку крысам из специально выведенной линии с дегенерацией сетчатки. Спустя 30 дней после операции исследователи протестировали их восприимчивость к свету по сравнению со здоровыми крысами и крысами той же генетической линии, не получивших лечения.
В норме при попадании в глаза яркого света зрачок сужается, в темноте — расширяется. Это называется зрачковым рефлексом. При яркости света в один люкс — чуть ярче, чем при полнолунии — у крыс с искусственной сетчаткой не было выявлено значимых отличий от больных. А вот при 4–5 лк — примерно как во время сумерек — зрачки крыс с имплантатом реагировали почти так же, как зрачки здоровых мышей.
Имплантат эффективно работал и спустя 10 месяцев после операции, хотя у всех трех групп крыс зрение несколько ухудшилось из-за возрастных изменений.
Также с помощью позитронно-эмиссионной томографии ученые проверили активность мозга крыс во время тестов на чувствительность к свету и обнаружили рост активности в зрительной коре, отвечающей за обработку визуальной информации.
Основываясь на полученных результатах, команда заключила, что имплантат напрямую активирует «остаточные нейронные схемы в дегенеративной сетчатке». Необходимы дальнейшие исследования, чтобы подробно описать этот процесс с точки зрения биологии.
«Детализированный принцип работы протеза остается неопределенным», — отмечают они в статье. Кроме того, неизвестно, будут ли такие имплантаты так же эффективны для людей. Но команда полна оптимизма и рассчитывает проверить это уже в ближайшее время.
«Мы надеемся воспроизвести на людях такие же прекрасные результаты, какие получили при эксперименте с животными, — говорит одна из исследователей, офтальмолог Грация Пертиле.
— Мы планируем первые тесты на людях во второй половине этого года, а к 2018-му получим предварительные результаты. Использование этого имплантата может стать поворотной точкой в лечении тяжелых заболеваний сетчатки».
Другой перспективный метод лечения таких болезней — редактирование генома с помощью технологии CRISPR. Это удалось сделать в прошлом году группе офтальмологов из США. Они использовали клетки кожи пациента с пигментным ретинитом, чтобы вырастить стволовые клетки, которые тоже несли в себе приводящую к слепоте мутацию. CRISPR позволила успешно «отремонтировать» дефектный ген. На момент проведения исследования эксперименты на людях были запрещены, но, как утверждают сами исследователи, трансплантация здоровых клеток могла бы восстановить утраченное зрение.
В отличие от традиционной пересадки органов такой подход не вызовет отторжения иммунной системой.
А пересадка глаза полностью не осуществляется вообще из-за его высокой степени антигенности и сложной сосудистой системы. Успешны могут быть лишь операции по пересадке части глаза, например роговицы.
А в Австралии в то же время ученые были готовы к испытаниям бионического глаза. Глаз Phoenix99 был разработан инженерами из Университета Нового Южного Уэльса. Его создание началось еще в 1997 году с целью помочь людям с пигментным ретинитом и макулодистрофией — патологическим изменением сосудов глаза, характерным для пожилых людей.
Прототип глаза представлял собой массив из 24 электродов, подсоединенных к внешнему устройству и позволяющих пациенту видеть фосфены — светящиеся точки и фигуры, возникающие без воздействия света, например при надавливании на глаз или электрическом возбуждении сетчатки.
С помощью специальных камер было также можно определять расстояние: чем ярче были фосфены, тем ближе находился объект.
Последняя модель Phoenix99 имплантируется полностью и показывает значительно лучшие результаты, чем предыдущие. К 2018 году исследователи планируют вживить бионические глаза по меньшей мере десяти пациентам. Операция занимает два-три часа, и единственное, что указывает на неестественную природу новых глаз, — небольшой диск за ухом, который питает устройство и передает на него данные.
Источник
Дмитрий Песков выписан из больницы после коронавируса
Пресс-секретарь президента РФ Дмитрий Песков вылечился от коронавируса и выписался из больницы.
Минпросвещения рассчитывает на очный формат выпускных в школах России
Министр просвещения России Сергей Кравцов поздравил школьников с последним звонком и выразил надежду, что в этом году удастся провести выпускные в традиционном очном формате.
Петросян впервые опубликовал фото со второй женой
Сатирик Евгений Петросян впервые опубликовал фото с женой Татьяной Брухуновой.
В Петербурге закрасили граффити с Бродским
Портрет поэта и нобелевского лауреата в проеме между домами по улице Пестеля неаккуратно замазали краской.
Телеканал Санкт-Петербург 13:26
На Украине сочли возможным «выбить» Россию из проектов США по космосу
Украина могла бы «выбить» российские компании из американских космических проектов, если страна начнет производить ракетные двигатели первой ступени.
В Екатеринбурге от последствий урагана погиб человек
Екатеринбург, 25 мая 2020, 17:49 — REGNUM В Екатеринбурге скончался крановщик после падения строительного крана из-за урагана.
Заммэра Москвы рассказал о новом этапе снятия ограничений
Следующая на очереди — сфера бытовых услуг, где традиционно занято наибольшее количество малых предприятий и которая очень влияет на комфорт жизни в городе.
Renault готовит кросс-универсал — преемника Largus
Компания Dacia (румынская «дочка» Renault) выпустит бюджетный кросс-универсал, который станет близким «родственником» следующего Renault Logan.
Автоновости дня 23 мая в 11:55
Путин подписал закон о повышении предельного возраста ректоров
Президент России Владимир Путин подписал федеральный закон о повышении с 65 до 70 лет предельного возраста руководителей и замруководителей образовательных организаций высшего образования и научных организаций.
Транзит по газопроводу «Ямал-Европа» снизился почти до нуля
Транзит газа по магистральному газопроводу «Ямал-Европа» упал до десятой части от его пропускной мощности.
Тарханов о штрафах за отсутствие масок: «В Индии дубинками бьют, в Китае приняли жесткие меры – все быстро вылечились»
Вице-президент армянского «Пюника» Александр Тарханов поделился мнением о возобновлении РПЛ и мерах по борьбе с коронавирусом.
Китайский аналог Aurus Komendant — Hongqi E115 появился на новых фото
Китайская марка Hongqi готовит к дебюту новый большой кроссовер, который является аналогом роскошных Rolls-Royce Cullinan и Aurus Komendant.
Пензенский экс-министр здравоохранения осужден за изнасилование
По версии следствия, 30 апреля 2019 года министр в состоянии алкогольного опьянения изнасиловал свою знакомую с применением действий насильственного характера.
«Отряд самоубийц» может получить режиссерскую версию
Вероятно, в случае успеха Snyder Cut на HBO Max очередь дойдет и до режиссерской версии «Отряда самоубийц».
В России с 1 июня начнут снимать ограничения с туризма
С 1 июня в России начнет восстанавливаться работа внутренних туристических объектов.
Россиян призвали привыкнуть к «новой нормальности» из-за коронавируса
«Совершенно очевидно, что вирус не собирается уходить, но мы уже многое умеем, многому научились, и вот за этот период мы научились жить с этим вирусом, сохраняя здоровье, предусмотрев и выполнив все меры безопасности», — добавила Попова.
Жена Эммануила Виторгана упала с качелей с детьми на руках
Накануне Виторган опубликовал видео, на котором его супруга Ирина качается на качелях вместе с двумя детьми на руках.
Суд арестовал захватчика отделения банка в Москве
Алексей Барышников, захвативший заложников в отделении Альфа-банка в Москве, арестован до 23 июля, сообщает московское управление Следственного комитета России.
Новую льготу получат пенсионеры с маленькой пенсией
Российские пенсионеры, чья пенсия не превышает 24-х тысяч рублей, смогут получить новую льготу – в Госдуму депутатами Сергеем Неверовым и Александром Хинштейном внесен соответствующий законопроект.
Подписан закон об увеличении лимита страховки по ряду вкладов
По ряду вкладов лимит страхового возмещения увеличится с 1 октября с 1,4 млн до 10 млн рублей.
Обвинение попросило 18 лет колонии Полу Уилану
Прокурор запросил 18 лет колонии для гражданина США Пола Уилана, обвиняемого в шпионаже, заявил «Интерфаксу» его адвокат Владимир Жеребенков.
Mercedes-Benz показала первый тизер нового седана S-Class
Сегодня автопроизводитель опубликовал первый тизер автомобиля, на котором показана оптика, бампер, а также рисунок переднего бампера.
За злоупотребления из МВД уволены два генерала
По отрицательным мотивам уволены из МВД России два замначальника следственного департамента, генералы юстиции Александр Краковский и Александр Бирюков.
Леонид Федун сообщил, что продолжит лечение от коронавируса дома
Владелец московского «Спартака» Леонид Федун, заразившийся коронавирусной инфекцией, сообщил, что продолжит лечение в домашних условиях.
Больше половины регионов РФ могут приступить к снятию ограничений
Больше половины регионов РФ могут приступить к снятию ограничений Страна постепенно выходит из ограничений по коронавирусу.
У Гордона обнаружили коронавирус прямо во время съемок
У телеведущего Александра Гордона обнаружили коронавирус прямо в студии во время съемок программы «Док-ток» для Первого канала.
Источник
