ساخت چشم مصنوعی با تقلید بسیار ظریف از شبکیه چشم

زومیت/ پژوهشگران با استفاده از نانوسیم‌های بسیار نازک برای تقلید از عملکرد سلول‌های گیرنده‌ی نور چشم، ساختار خمیده‌ای نظیر شبکیه‌ی چشم ساختند.

چشم انسان ابزاری پیچیده است: تصاویر از لنزی خمیده در جلوی کره‌ی چشم وارد می‌شود و قبل از رسیدن به شبکیه‌ی حساس به نور از مایع چسبناک و شیشه‌ای عبور می‌کند. شبکیه سیگنال را به عصب بینایی هدایت کرده و تصویر را به مغز می‌برد. حدود یک دهه است که مهندسان در تلاش برای تقلید از این ساختار هستند. اکنون چشم مصنوعی جدیدی ساخته شده است که با موفقیت شکل کروی این ابزار طبیعی را تقلید می‌کند.

پژوهشگران امیدوار هستند این دستاورد بتواند به دید رباتیک و دستگاه‌های پروتز دقیق‌تر منجر شود. به‌تازگی مقاله‌ای درباره‌ی این پیشرفت در مجله‌ی Nature منتشر شد. پژوهش جدید بر مبنای این واقعیت انجام شده است که پروسکایت ماده‌ی رسانا و حساس به نوری که در سلول‌های خورشیدی مورد استفاده قرار می‌گیرد، می‌تواند برای ایجاد نانوسیم‌های بسیار نازک با طول چند هزارم میلی‌متر استفاده شود. ژیونگ فن، مهندس الکترونیک و کامپیوتر در دانشگاه علم و فناوری هنگ‌کنگ می‌گوید:

این سیم‌ها از ساختار سلول‌های نازک و طویل گیرنده‌ی نور چشم تقلید می‌کنند. اما مشکل این است: چگونه می‌توانیم مجموعه‌ای از نانوسیم‌ها را در لایه‌ای به‌شکل نیمکره درآوریم تا این شبکیه‌ی نیمکره‌ای شکل بگیرد.

ساخت شبکیه‌ی خمیده مهم است زیرا نور فقط پس از عبور از لنز (عدسی) خمیده به شبکیه می‌خورد. هونگروی جیانگ، مهندس برق در دانشگاه ویسکانسین-مدیسن که مطالعه‌ی جدید را بازبینی کرده ولی به‌طور مستقیم مشارکتی در این کار نداشته است، می‌گوید:

وقتی سعی می‌کنید چیزی را تصویربرداری کنید، تصویری که پشت لنزها تشکیل می‌شود، درواقع خمیده است. اگر حسگر مسطحی دارید، نمی‌توانید به‌خوبی روی تصویر تمرکز کنید.

شبکیه خمیده است اما حسگرهای الکترونیکی نور سخت و صاف هستند. فن و همکارانش برای حل این مسئله فویل آلومینیومی نرمی را به شکل نیمکره درآوردند. آن‌ها سپس فلز را با نوعی فرایند الکتروشیمیایی تیمار کردند که آن را به عایقی به‌نام آلومینیوم اکسید تبدیل کرد. این فرایند همچنین موجب شد منافذ نانومقیاسی در ماده ایجاد شود. درنتیجه، پژوهشگران به نیمکره‌ی انحناداری رسیدند که دارای منافذ متراکم مناسبی بود که می‌شد در آن‌ها نانوسیم‌های پروسکایت را کشت داد. جیانگ می‌گوید:

تراکم نانوسیم‌ها بسیار زیاد است. این تراکم با تراکم گیرنده‌های نور در چشم انسان قابل مقایسه است (درواقع حتی بیشتر است).

دانشمندان وقتی به شبکیه‌ی خمیده دست پیدا کردند، آن را در چشم مصنوعی قرار دادند که در قسمت جلوی آن لنزهای خمیده‌ای وجود داشت. این تیم با الهام از مایع تخصصی موجود در چشم واقعی، آن را با نسخه‌ی شبه‌بیولوژیکی از یک مایع یونی پر کردند که نوعی نمک مایع است که ذرات باردار در آن می‌توانند حرکت کنند. فن می‌گوید:

یک مولفه‌ی بسیار مهم از کار این است که ما حفره‌ها را با مایع یونی پر کردیم. وقتی نانوسیم‌‌ها بار الکتریکی تولید کنند، بار با برخی از یون‌ها مبادله خواهد شد.

این تبادل الکتریکی به نانوسیم‌های پروسکایت اجازه می‌دهد که عملکرد الکتروشیمیایی تشخیص نور و ارسال سیگنال به ابزارهای الکترونیکی خارجی پردازش‌کننده تصویر را انجام دهد.

وقتی پژوهشگران چشم مصنوعی را آزمایش کردند، این ابزار توانست الگوهایی از نور را در زمان ۱۹ میلی‌ثانیه یعنی نصف زمان مورد نیاز چشم انسان پردازش کند و تصاویری را تولید کرد که نسبت‌به تصاویری که به‌وسیله‌ی یک حسگر تصویر مسطح با تعداد مشابه پیکسل تولید می‌شود، از کنتراست بالاتر و لبه‌های واضح‌تری برخوردار بود. از بعضی جهات، چشم مصنوعی از دید طبیعی بهتر عمل می‌کند: می‌تواند طیف وسیع‌تری از طول‌موج‌ها را بگیرد و فاقد نقطه کور است.

فن امیدوار است که برای ساخت دستگاه‌های پروتزی براساس این طرح با پژوهشگران حوزه‌ی پزشکی همکاری کند. اگرچه انجام چنین کاری ممکن است به توسعه‌ی بسیار بیشتری نیاز داشته باشد. جسی دورن از مقامات شرکت زیست‌پزشکی دید دوم (Second Sight) که در این پژوهش مشارکتی نداشته است، می‌گوید: «این چشم مصنوعی واقعا ظریف است. این کار شگفت‌انگیز به‌نظر می‌رسد، اما نویسندگان مطالعه درمورد نحوه‌ی اتصال آن به سیستم بینایی انسان صحبت نمی‌کنند.»

دورن روی دستگاه‌های درمان نابینایی ازجمله نوعی پروتز شبیکه باعنوان آرگوس۲ کار می‌کند و خاطرنشان می‌کند که توسعه‌ی رابط الکترونیکی فقط گام اول است. چنین دستگاهی برای تولید تصاویر نیاز به تعامل با مغز انسان دارد. به‌گفته‌ی او، این کار دو چالش پیش رو دارد: اول اینکه چگونه می‌توان هرنوع رابط دارای وضوح بالا را با اطمینان و بی‌خطر درون بافت مدنظر کاشت و دوم اینکه نحوه‌ی تعامل آن با سیستم بینایی انسان به چه صورتی است.

علاوه‌بر‌این، انواع مختلفی از نابینایی وجود دارد و چشمان بی‌عیب نیز ممکن است همیشه دید کاملی ایجاد نکنند. برای مثال، توسعه‌ی مغز در دوران نوزادی و کودکی ازنظر پردازش ورودی‌های بینایی حیاتی است، بنابراین فردی که نابینا متولد شده است، در مراحل بعدی زندگی، ممکن است هرگز ارتباطات مورد نیاز برای دیدن به‌وسیله‌ی چشمان پروتزی را نداشته باشد.

دورن به این مسئله اشاره می‌کند که دریافت‌کنندگان ایمپلنت آرگوس۲ همه افراد بزرگسالی بودند که بینایی خود را در مراحل بعدی زندگی از دست داده بودند. حتی این افراد نیز دارای سطوح مختلف موفقیت هستند؛ برخی تنها توانایی تمایز میان نور و سایه را به دست می‌آورند درحالی‌که برخی دیگر می‌توانند اشکال را پردازش کنند. با‌این‌حال، او می‌گوید هرگونه ارتباط دیداری با محیط می‌تواند منجر به استقلال و آزادی حرکت بیشتر شود. علاوه‌بر‌این، پروتزها تنها کاربرد با ارزش چشمان مصنوعی نیستند: چنین دستگاه‌هایی می‌توانند کاربردهای فوری در بینایی رباتیک داشته باشند.

جیانگ با ذکر این مسئله که برخی پژوهشگران به‌دنبال این هستند که از چشم پستانداران تقلید کنند و برخی دیگر با چشم‌های مرکب حشره‌مانند کار می‌کنند، می‌گوید: «تقلید از چشم طبیعی آرزوی بسیاری از مهندسان حوزه‌ی بینایی بوده است.» او می‌افزاید این حوزه از علم سرانجام درحال دستیابی به پیشرفت‌های واقعی است: «من فکر می‌کنم طی حدود ۱۰ سال آینده، ما باید شاهد برخی از کاربردهای عملی بسیار ملموس از این چشم‌های بیونیک باشیم.»