История о художнике, роботе и искусственном зрении
Однажды он шел по улице и увидел художника, рисующего картину. Заглянув через его плечо, он увидел множество ярких цветов, но не мог различить нарисованного. Все сливалось, было нечетким… "Что Вы рисуете? "- спросил он. «Дом и реку, - услышал в ответ. - Разве ты не видишь?». Он устало посмотрел на художника и сказал: «Должно быть барахлят мои электронные глаза все размазано как-то …У роботов такое случается». «Все бы критиковать, а у роботов и у людей одинаковые проблемы», - пробубнил художник. «Не стой просто так, покупай картину или иди, жди, когда решат твою проблему, осталось недолго, вот почитай!»-он протянул ему статью следующего содержания…
Электрохимический глаз с полусферической сетчаткой (EC-EYE), состоящей из массива нанопроволок высокой плотности, имитирующих фоторецепторы на сетчатке человека создала международная группа ученых из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST). До этого момента ни один бионический протез не повторял структуру человеческого глаза настолько точно, к тому же, по части выполняемых функций, такой искусственный глаз даже превосходит настоящий. Теперь зрение может стать четче, благодаря возможности устранить слепые пятна на сетчатке, и может появиться способность видеть в темноте, используя инфракрасное излучение.
В зрительной системе человека: два глазных яблока, чтобы воспринимать оптическую информацию, мозг, чтобы проанализировать увиденное, а между ними – миллионы нейронов, по которым, как по проводам передаются данные. Один из ключевых компонентов внутренней части глаза –сетчатка, в ней как раз и происходит преобразование оптических изображений в нейроэлектрические сигналы. Ее полусферическая форма позволяет создать угол обзора вплоть до 155◦, а 100-120 миллионов фоторецепторов, палочек и колбочек, вертикально собранных в сетчатке квазишестиугольным образом, с плотностью около 10 миллионов на квадратный сантиметр, средним шагом 3 мкм, обеспечивают высокое разрешение изображения, сравнимое с разрешением современных датчиков CCD / CMOS.
В искусственной зрительной системе для имитации человеческого зрения ученые использовали: экран компьютера, чтобы отобразить увиденное глазом, световые датчики на основе нанопроволоки, встроенные внутри полусферической пористой мембраны из оксида алюминия (PAM) в процессе осаждения из паровой фазы- для преобразования оптического изображения в электрический сигнал, и пучок жидкометаллических проводов - для передачи этого сигнала. Компоненты соответствуют хрусталику глаза, сетчатке и нервным волокнам за ней. В будущем такие датчики смогут прикреплять прямиком к нервным волокнам слабовидящих пациентов, чтобы скорректировать их зрение.
Как же и из чего сделали глаз?
Процесс изготовления начали с деформации листа алюминия толщиной 500 мкм на наборе полусферических форм для получения полусферической алюминиевой оболочки, которая затем в процессе анодирования преобразовалась в пористую мембрану(PAM) из оксида алюминия толщиной 40 мкм и шагом наноканалов, диаметром 500 нм и 120 нм. На дне каналов осадили Pb, вытравили остатки Al и PAM, а затем отправили в трубчатую печь для выращивания перовскитных нанопроволок (йодид свинца формамидиния- (FAPbI3)) длиной около 5 мкм. Эти нанопроволоки (они же световые датчики) служат светочувствительными рабочими электродами. Как противоэлектрод – вольфрамовая пленка на алюминиевой полусферической подложке. Между двумя электродами в качестве электролита находится ионная жидкость, имитирующая стекловидное тело в человеческом глазу. Состоит она из смеси 1-бутил-3-метилимидазолий бис (трифторметилсульфонил) имида (BMIMTFSI) и 1 % 1-бутил-3-метилимидазолий иодида.
Таким образом, фотоответ возникает в результате окислительно-восстановительной реакции (при переносе зарядов I- / I3-) на границах раздела нанопроволока/электролит и вольфрамовая пленка/электролит под воздействием электрического тока. В результате, устройство обладает отличной стабильностью фототока и воспроизводимостью: время отклика и время обработки сигнала в устройстве составило 19.2 мсек. и 23.9 мсек., соответственно. Это даже быстрее, чем в человеческом глазу: от 40 мсек. до 150 мсек.
«Этот электрический обмен позволяет перовскитным нанопроволокам выполнять электрохимическую функцию обнаружения света и отправки этого сигнала во внешнюю электронику обработки изображений»,- отмечает один из авторов исследования, Чжиюн Фань (Zhiyong Fan), компьютерный инженер из Гонконгского университета науки и технологий, в статье опубликованной в журнале Scientific American.
Затем, в качестве адгезионной поверхности на заднюю часть РАМ напылили слой индия толщиной 20 нм. Гибкие эвтектические галлий-индиевые жидкометаллические провода поместили в трубки из мягкой резины- они передают сигнал между нанопроволками и внешними компонентами глаза (Рис.2). Для их фиксации при помощи 3D-печати изготовили «игольчатое гнездо» из полидиметилсилоксана (PDMS) размером 10 × 10 отверстий (размером 700 мкм и шагом 1,6 мм).
Для решения проблемы слепых пятен, ученые расположили световые сенсоры по всей искусственной сетчатке, благодаря чему они смогут передавать сигналы через собственный жидкометаллический провод сзади. В настоящих глазных яблоках слепые пятна образуются там, где волокна зрительного нерва пронизывают сетчатку насквозь (в передней части и задней), образуя зоны, лишенные фоторецепторов (там мы ничего не видим).
Сигнал от каждого фотодетектора можно измерить, выбрав соответствующий жидкометаллический провод (Рис.3). Принцип работы сетчатки глаза человека похож: группы фоторецепторов индивидуально связаны с нервными волокнами, что обеспечивает подавление интерференции между пикселями и высокоскоростную параллельную обработку нейроэлектрических сигналов.
«На следующем этапе мы планируем еще больше улучшить характеристики, стабильность и биосовместимость нашего устройства. Что касается протезирования, мы надеемся на сотрудничество с экспертами в области медицинских исследований, которые обладают соответствующими знаниями в области оптометрии и глазных протезов», -говорит профессор Фань. - Я думаю, что лет через 10 мы увидим некоторые очень ощутимые практические применения этих бионических глаз».
...Пока робот читал, художник дорисовал картину. «Ну, что покупать будешь или как?»- недовольно спросил он. «Нет, ты прав, ждать осталось недолго, подожду лет 10», - весело ответил робот.
Источники научной информации:
https://www.scientificamerican.com/article/new-artificial-eye-mimics-a-retinas-natural-curve/
https://www.sciencedaily.com/releases/2020/06/200610102726.htm
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
