Sviluppato un occhio artificiale con capacità simili a quelle di un occhio biologico

Immagine: Figure 1 | A biomimetic artificial eye. Gu et al.1

È stato segnalato un occhio artificiale che incorpora sensori di luce su scala nanometrica densamente imballati in un componente emisferico simile alla retina. Alcune delle sue capacità sensoriali sono paragonabili a quelle della sua controparte biologica.

Sono stati fatti molti sforzi per sviluppare tali dispositivi, ma fabbricare la forma sferica di un occhio umano – in particolare una retina emisferica – è un’enorme sfida che limita fortemente la funzione degli occhi artificiali e bionici. In un articolo su Nature, i ricercatori riportano lo sviluppo di un’innovativa retina emisferica concavamente costituita da una serie di sensori di luce su scala nanometrica (fotosensori) che imitano le cellule dei fotorecettori nelle retine umane. Gli autori usano questa retina in un occhio elettrochimico che ha diverse capacità paragonabili a quelle dell’occhio umano e che svolge la funzione di base dell’acquisizione di schemi di immagini.

L’occhio umano, con la sua retina emisferica, ha una disposizione ottica più ingegnosa rispetto, per esempio, a quella dei sensori di immagine piatti nelle telecamere: la forma a cupola della retina riduce naturalmente la diffusione della luce che è passata attraverso l’obiettivo, migliorando così la messa a fuoco . Il componente principale dell’occhio elettrochimico biomimetico di Gu e colleghi è la matrice ad alta densità di fotosensori che funge da retina (Fig. 1). I fotosensori si sono formati direttamente all’interno dei pori di una membrana emisferica di ossido di alluminio (Al2O3).

Fili sottili e flessibili realizzati in metallo liquido (gallio eutettico – lega di indio) sigillati in tubi di gomma morbida trasmettono segnali dai fotosensori a nanofili a circuiti esterni per l’elaborazione del segnale. Questi fili imitano le fibre nervose che collegano l’occhio umano al cervello. Uno strato di indio tra i fili di metallo liquido e i nanofili migliora il contatto elettrico tra i due. La retina artificiale è mantenuta in posizione da una presa in polimero siliconico, per garantire il corretto allineamento tra fili e nanofili. Una lente combinata con un’iride artificiale è posizionata nella parte anteriore del dispositivo, proprio come nell’occhio umano. La retina sul retro si combina con un guscio emisferico nella parte anteriore per formare una camera sferica (il “bulbo oculare”); il guscio emisferico frontale è realizzato in alluminio rivestito con un film di tungsteno. La camera è piena di un liquido ionico che imita l’umor vitreo – il gel che riempie lo spazio tra la lente e la retina nell’occhio umano. Questa disposizione è necessaria per il funzionamento elettrochimico dei nanofili. La somiglianza strutturale complessiva tra l’occhio artificiale e l’occhio umano conferisce al dispositivo di Gu e colleghi un ampio campo visivo di 100 °. Ciò si confronta con circa 130 ° del campo visivo verticale di un occhio umano statico”.
Il mimetismo strutturale dell’occhio artificiale di Gu e colleghi è certamente impressionante, ma ciò che lo distingue davvero dai dispositivi precedentemente segnalati è che molte delle sue capacità sensoriali si confrontano favorevolmente con quelle della sua controparte naturale. Ad esempio, la retina artificiale è in grado di rilevare un’ampia gamma di intensità luminose, da 0,3 microwatt a 50 milliwatt per centimetro quadrato. Alla minima intensità misurata, ciascun nanofilo nella retina artificiale rileva una media di 86 fotoni al secondo, alla pari della sensibilità dei fotorecettori nelle retine umane. Questa sensibilità deriva dal materiale perovskite utilizzato per produrre i nanofili. I composti di perovskite sono materiali estremamente promettenti per varie applicazioni optoelettroniche e fotoniche. La perovskite usata da Gu è lo ioduro di piombo in formamidinio, ed è stato scelto per le sue eccellenti proprietà optoelettroniche e buona stabilità. La reattività dei nanofili, che misura la corrente prodotta per watt di luce incidente, è quasi la stessa per tutte le frequenze dello spettro visibile. Inoltre, quando l’array di nanofili è stimolato da impulsi di luce regolari e rapidi, può produrre una corrente in risposta a un impulso in soli 19,2 millisecondi e può quindi richiedere fino a 23,9 ms per recuperare (tornare allo stato inattivo) quando l’impulso è terminato. I tempi di risposta e recupero sono parametri importanti, in quanto determinano la velocità con cui l’occhio artificiale può rispondere a un segnale luminoso. Per confronto, i tempi di risposta e recupero dei fotorecettori nelle retine umane vanno da 40 a 150 ms.
Forse la più impressionante capacitrà dell’occhio artificiale è l’alta risoluzione dell’immagine ottenuta dalla retina artificiale di Gu e colleghi, che risulta dall’alta densità della matrice di nanofili. Nelle retine artificiali precedenti, i fotosensori venivano prima fabbricati su substrati piatti e rigidi; successivamente, o sono stati trasferiti su superfici di supporto curve3o il substrato è stato piegato in una curva. Ciò limitava la densità delle unità di imaging, poiché era necessario lasciare spazio tra loro per consentire il trasferimento o la piegatura. Al contrario, i nanofili del dispositivo sono formati direttamente su una superficie curva, che consente loro di essere imballati insieme più da vicino. In effetti, la densità dei nanofili è alta 4,6 × 108 cm, molto maggiore di quella dei fotorecettori nella retina umana (circa 107 cm ). Il segnale da ciascun nanofilo può essere acquisito individualmente, ma i pixel nel dispositivo corrente sono stati formati da gruppi di tre o quattro nanofili.
Le prestazioni generali dell’occhio artificiale di Gu e colleghi rappresentano un balzo in avanti per tali dispositivi, ma molto deve ancora essere fatto. Innanzitutto, l’array del fotosensore è attualmente solo 10 × 10 pixel, con circa 200 µm di spazio tra i pixel; ciò significa che la regione di rilevamento della luce è larga solo circa 2 mm. Inoltre, il processo di fabbricazione comporta alcuni passaggi costosi e di bassa portata, ad esempio un processo costoso noto come attacco con fascio di ioni focalizzato viene utilizzato per preparare ciascun poro alla formazione di nanofili. In futuro devono essere sviluppati metodi di fabbricazione ad alto rendimento per produrre array di fotosensori più grandi, a costi drasticamente ridotti. In secondo luogo, per migliorare la risoluzione e la scala della retina, sarà necessario ridurre le dimensioni dei fili di metallo liquido. Il diametro esterno dei fili è di circa 700 µm, ma idealmente dovrebbe essere paragonabile al diametro dei nanofili (pochi micrometri). Attualmente è difficile ridurre il diametro dei fili di metallo liquido a quella dimensione. In terzo luogo, sono necessari ulteriori test per stabilire la durata operativa della retina artificiale. Gu et al. segnalano che non vi è alcuna evidente riduzione delle prestazioni dopo nove ore di funzionamento, ma le prestazioni di altri dispositivi elettrochimici possono deteriorarsi nel tempo. Infine, gli autori osservano che i tempi di risposta e recupero del loro dispositivo sono ridotti a concentrazioni più elevate del liquido ionico, ma a spese della trasmissione della luce attraverso il liquido. È necessaria un’ulteriore ottimizzazione della composizione liquido-ionica per risolvere questo problema.
Tuttavia, il lavoro di Gu e colleghi si aggiunge alle scoperte che sono state fatte negli ultimi decenni, che sono state ottenute imitando non solo gli occhi simili a quelli di una macchina fotografica (come quelli umani), ma anche occhi simili a quelli di insetti. Dati questi progressi, sembra fattibile che potremmo assistere all’ampio uso di occhi artificiali e bionici nella vita quotidiana entro il prossimo decennio.
Fonte: Nature