تطوير أول عين الكترونية ثلاثية الابعاد

قام الباحثون في جامعة هونج كونج بتطوير أول عين الكترونية ثلاثيةد قادره على اعادة النظر للضريرين، حسب تقرير اطلس جديد. في السابق كانت العين الالكترونية تستخدم حساسات تعمل ككاميرا ثنائية الابعاد والتي لم تكن قادره على تحسس الحركات السريعة و لم تكن باستطاعتها ايصال صورة واضحة.

تطوير أول عين الكترونية مثل شبكية العين

تعد هذه العين الالكترونية مقعرة الشكل تماما مثل شبكية العين ولديها حساسات للضوء قادره على تقليد مستقبلات النظر الطبيعية الموجودة في العين. التصميم يسمح برؤية أشد وضوحًا مقارنة بالعين الالكترونية السابقة. في الوقت الحالي، بوجود حساسات أكثر تعقيدا. عين مماثله قد تقدم تحسينات على الاشياء الحقيقية مثل الرؤية الليلية.

عين الكترونية – المصدر: لينكدان

عين الكترونية جديدة تعطي الأمل

أدى تزايد انتشار أمراض العيون وإصابات العين الشديدة إلى زيادة الطلب على العيون الاصطناعية على مستوى العالم. ومع ذلك، لا يمكن للعيون الاصطناعية الحالية استعادة الرؤية. أنشأ العلماء الآن عينًا مقلدة حيويًا وكهروكيميائية لها وظيفة استشعار الصورة. وهذا ما دفع العلماء الى تطوير أول عين الكترونية ثلاثية.

العين البشرية هي الطبيعة في أفضل حالاتها

جهاز عالي التخصص ومتطور للغاية، نظرًا لشكله الكروي وشبكية العين الحساسة للضوء في نصف الكرة الأرضية، يمثل تحديًا صارخًا في التصنيع لأجهزة المحاكاة الحيوية. الآن قام العلماء وفريق من جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا في الصين، وجامعة كاليفورنيا ومختبر لورانس بيركلي الوطني في الولايات المتحدة، بخلق عين الكترونية. العين الجديدة مصممة بدرجة عالية من التشابه الهيكلي مع العين البشرية والتي لديها القدرة على تحقيق دقة تصوير عالية.

تتكون العين من قشرة معدنية في الأمام، وشبكية اصطناعية في الخلف، وداخل سائل أيوني: يطلق عليها اسم EC-EYE – اختصار لـ “ElectroChemical EYE”

كان الجزء الأكثر تعقيدًا في التصنيع هو شبكية العين دائمًا. تحتوي شبكية العين على ملايين الخلايا الحساسة للضوء. قضبان وأقماع وخلايا عصبية أخرى تتلقى المعلومات المرئية وتنظمها. عندما يدخل الضوء إلى العين، ينكسر وينصب تركيز القرنية والعدسة. مما يخلق صورة منحنية، وهذا يعني أن شبكية العين يجب أيضًا أن تكون منحنية بحيث يمكن تركيز الصورة بشكل حاد.

مستشعرات الضوء الإلكترونية

وهنا تكمن المشكلة، فإن مستشعرات الضوء الإلكترونية صلبة ومسطحة بحيث إذا تم تصنيعها على ركيزة مسطحة صلبة.  كما تم تقليديا – ثم تم ثنيها أو تشكيلها لاحقا في شكل كثافة تعبئة أجهزة الاستشعار منخفضة نسبيا مثل الفضاء. و هو شيء مطلوب بينهما للسماح للإنحناء.

لذا، كان مفتاح النجاح هنا هو أن الفريق صنع قبة نصف كروية مسبقًا بحيث يمكن تشكيل أجهزة الاستشعار الضوئي مباشرة داخل القبة. للبدء، استخدموا ورقة رقيقة من رقائق الألومنيوم الطرية، التي تشكلت في شكل نصف كروي. ثم قاموا بعزل كيميائي لفويل لتشكيل أكسيد الألومنيوم (Al2O3). يحتوي غشاء أكسيد الألومنيوم على مجموعة كثيفة من المسام النانوية. كانت هذه أماكن مثالية لاستيعاب أجهزة الاستشعار الكهربائية.

المستقبلات الضوئية للشبكية

هذا هو المكان الذي ظهر فيه الجزء الثاني الرائع من التصميم. لمحاكاة المستقبلات الضوئية للشبكية، استخدم الفريق البيروسكيت (يوديد الفورميدينيوم). وهو مادة موصلة وحساسة للضوء تستخدم في الخلايا الشمسية. تتشكل هذه الأسلاك النانوية الرقيقة للغاية في مسام الغشاء مباشرة. ثم تم إنشاء اتصال كهربائي بالدوائر الخارجية عن طريق مجموعة أخرى من الأسلاك النانوية. هذه المرة مصنوعة من معدن سائل (غاليوم eutectic – سبيكة إنديوم) – تنبثق من الجزء الخلفي من الجهاز ، لتقليد الألياف العصبية. ومختومة في أنابيب مطاطية ناعمة. بشكل لا يصدق تمكن الفريق من تحقيق كثافة أسلاك نانوية من 4.6 × 108 سم -2 ، وهذا أكبر بكثير من كثافة المستقبلات الضوئية في شبكية العين والتي تبلغ ~ 107 سم -2.

ثم تتكون قزحية اصطناعية وعدسة في مقدمة الجهاز، مع نصف الكرة الأرضية الشبكية وقشرة نصف كروية مبطنة من الألمنيوم – تنجستين مبطنة لتكوين كرة مقلة العين. لمحاكاة الأجزاء الزجاجية، تم ملء الجهاز بسائل أيوني مما سمح بالتبادل الكهربائي المطلوب لكي تعمل الأسلاك.

استجابة المستشعرات النانوية سريعة جدًا

تمكن الفريق من إظهار وظيفة استشعار الصورة لجهاز المحاكاة الحيوية من خلال إعادة بناء الأنماط البصرية المسقطة على الجهاز. يمكن للعين أن تعيد بناء الحروف E و I و Y على شاشة الكمبيوتر. كان مجال الرؤية أضيق قليلاً من العين البشرية الثابتة، 100 درجة مقارنة بـ ~ 135 درجة. ويمكن أن يكتشف مجموعة كبيرة من شدة الضوء، من 0.3 ميكروات إلى 50 ملي واط لكل سنتيمتر مربع. كانت استجابة المستشعرات النانوية سريعة جدًا. سواء للتفاعل أو التعافي بعد التحفيز، ~ 19 مللي ثانية و ~ 24 مللي ثانية تقريبًا. في حين تستغرق المستقبلات الضوئية في شبكية العين حوالي 40 مللي ثانية و 150 مللي ثانية. يمكن للجهاز أيضًا أن يتفوق على مستشعرات الصور المسطحة التي تنتج صورًا ذات تباين أكبر وحواف أكثر وضوحًا.

الخلاصة والتطبيقات المستقبلية

يمثل العمل المقدم هنا، في الطبيعة، خطوة حقيقية إلى الأمام في مجال العين الاصطناعية. يوفر فرصة ملموسة لاستعادة الرؤية وخلق الرؤية (في المجال الآلي). في حين ، من المرجح أن يسرع هذا العمل من تقدم العيادة ، لا تزال هناك العديد من العقبات التي يجب التغلب عليها.

طريقة أكثر إنتاجية لتصنيع مثل هذه المصفوفات

في حين أن هذه العين الاصطناعية التي تثبت المفهوم تتطابق مع العين الطبيعية بل وتتفوق عليها في جوانب معينة. إلا أنها ذات دقة منخفضة حاليًا – تتكون من 100 بكسل فقط – مما يعني أن منطقة الكشف عن الضوء يبلغ عرضها 2 مم فقط. للتغلب على هذا، يمكن للفريق ببساطة زيادة كثافة الأسلاك النانوية في مساحة أكبر. وهذا يتطلب من المهندسين إيجاد طريقة أكثر إنتاجية لتصنيع مثل هذه المصفوفات كما يتم حاليًا توصيل الأسلاك النانوية واحدة في كل مرة. ومع ذلك ، فإن إحدى المشاكل التي قد يكون من الصعب حلها هي عرض الأسلاك النانوية الخارجية السائلة ، والتي يبلغ قطرها حوالي 700 ميكرومتر (في القطر). وهي حاليًا ضخمة للغاية بالنسبة لمقبس العين وستحتاج إلى أن تكون بحجم بضعة ميكرومتر فقط ، ولا يمكن حاليًا جعل أسلاك المعدن السائل بهذه الغرامة.

كما أن تصنيع الجهاز مكلف وبطيء، ويحتاج حاليًا إلى طاقة خارجية. ومع ذلك، من المأمول أن الجهاز يمكن أن يعمل بالطاقة الذاتية، حيث يعمل كل سلك نانوي مثل خلية صغيرة تعمل بالطاقة الشمسية بواسطة البيرسكايت ويتم تشغيله بواسطة الضوء. هل سيتيح تطوير أول عين الكترونية ثلاثية المجال للمزيد من التطور.

في حين أن التوافق الحيوي وعملية العين لا تزال غير مجربة ، فإن التحدي الحقيقي سيكون كيفية توصيل الجهاز حتى العصب البصري. ومع ذلك ، لا يمكن الاستهانة بتأثير عين المحاكاة الحيوية، وهذا العمل يجلب لنا فرصة واضحة في رؤية عيون اصطناعية في مجموعة واسعة من الاستخدامات خلال العقد المقبل.

 A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina. [1]