Создан искусственный глаз, превосходящий по возможностям человеческий

Инженеры давно стремятся создать искусственный аналог глаза.
Фото Pixabay.

Схема искусственного глаза, созданного группой Фаня. Перевод Вести.Наука.
Иллюстрация Nature.

Учёные создали прибор, имитирующий работу человеческого глаза. По ряду параметров он превосходит свой естественный аналог.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature группой во главе с Чжиюном Фанем (Zhiyong Fan) из Гонконгского университета науки и технологий.

Искусственные глаза, выполняющие функции природного органа, могли бы вернуть зрение слепым и слабовидящим людям. Роботам такое чудо техники тоже бы пригодилось. И, похоже, специалисты из Китая и США уже близки к тому, чтобы подарить такое устройство как человеку, так и машине.

Искусственное глазное яблоко по форме похоже на человеческий глаз и имеет все его основные составляющие. В нём есть линза-хрусталик, радужная оболочка, стекловидное тело, чувствительная к свету сетчатка и "нервные волокна", по которым сигнал передаётся "в мозг".

Пройдя сквозь линзу (хрусталик), свет дополнительно фокусируется стекловидным телом, роль которого играет ионная жидкость. Отсюда он попадает на искусственную сетчатку.

Она имеет ту же полусферическую форму, что и сетчатка человека. Это уменьшает площадь светового пятна и помогает ещё лучше фокусировать изображение.

Роль светочувствительных клеток играют нанопроволоки из йодида формамидина-свинца (FAPbI3). Этот материал относится к классу перовскитов. Последние славятся своей способностью вырабатывать электричество в ответ на падающий свет, в связи с чем часто используются в экспериментальных солнечных батареях.

Фотоэлементы расположены в порах мембраны из оксида алюминия, выстилающей внутреннюю поверхность искусственного глаза. От них наружу идут провода ("нервные волокна"). Это мягкие эластичные трубки, заполненные жидким сплавом галлия и индия.

Схема искусственного глаза, созданного группой Фаня. Перевод Вести.Наука.

По чувствительности искусственная сетчатка не уступает естественной: при самой низкой измеренной интенсивности каждый фотоэлемент обнаруживал в среднем 86 фотонов в секунду.

Ширина поля зрения у искусственного глаза также почти человеческая: 100 градусов (у неподвижного человеческого глаза она составляет 130 градусов по вертикали, но лишь ничтожную долю этого поля мы видим в цвете и подробностях).

Использованные перовскитные фоторецепторы практически одинаково чувствительны к фотонам разных длин волн. То есть мир, увиденный таким электронным глазом, был бы чёрно-белым.

Но в некоторых отношениях новое устройство превосходит возможности человеческого зрения. Например, она создаёт гораздо более детальное изображение.

Поясним. Чтобы различать тонкие детали, нужно как можно точнее знать, в какие точки сетчатки свет попал, а в какие нет. Эта точность зависит от двух вещей: количества фоторецепторов на квадратный сантиметр и способности системы обрабатывать сигнал каждого рецептора (или хотя бы небольших групп рецепторов) по отдельности.

Электронный глаз превосходит человеческий по обоим параметрам. Во-первых, у него в 46 раз больше фоторецепторов на квадратный сантиметр.

Во-вторых, фотоэлементы в новой системе объединены в пиксели по две-три штуки, и к каждому пикселю подходит отдельный провод. В человеческом же зрительном нерве отдельных волокон в 120 раз меньше, чем светочувствительных клеток на сетчатке. Поэтому лозунг "каждому рецептору отдельную линию связи" более или менее близок к жизни лишь в центральной ямке сетчатки диаметром 0,2–0,4 миллиметра. Только этой крошечной областью мы и различаем тонкие детали изображения. Всей остальной сетчатке остаётся воспринимать мир в виде смутных пятен света и тени.

Электроника в очередной раз обогнала человеческий организм и по быстродействию. Устройству достаточно облучения в течение 19 миллисекунд, чтобы сгенерировать сигнал. А когда вспышка гаснет, фотоэлемент снова готов к работе уже через 24 миллисекунды. Нашей же сетчатке на то и другое требуется по 40–150 миллисекунд.

Одним словом, искусственный глаз выглядит очень многообещающе. Но учёным ещё есть над чем поработать.

Прежде всего, на электронной сетчатке сейчас присутствует всего лишь сотня пикселей. Для полноценного зрения это количество следует увеличить.

Кроме того, получаемое устройство стоит дорого, а изготавливать такую конструкцию сложно. Чтобы сделать такие искусственные глаза массовым продуктом, технологию придётся удешевить.

Отдельной проблемой может стать интеграция этого "органа зрения" с нервной системой человека.

Наконец, срок службы новинки тоже пока неясен. Необходимы длительные испытания, чтобы удостовериться, что система не деградирует в скором времени после внедрения её в организм.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали об искусственной радужной оболочке, которая поможет камерам реагировать на свет подобно глазам человека. Писали мы и мозговом имплантате, частично вернувшем слепому зрение.