العين البشرية هي أداة معقدة، حيث تدخل الصور من خلال عدسة منحنية في مقدمة الكرة وتمر عبر السائل اللزج الزجاجي قبل الوصول إلى شبكية العين الحساسة للضوء – التي تنقل الإشارة إلى العصب البصري الذي يحمل الصورة إلى الدماغ.
حاول المهندسون تكرار هذا الهيكل لمدة عشر سنوات تقريبا، واليوم تحاكي العين الاصطناعية الجديدة بنجاح الشكل الكروي للعين الطبيعية، ويأمل الباحثون أن يؤدي هذا الإنجاز إلى رؤية روبوتية وأجهزة اصطناعية أكثر حدة.
إن هذا الجهاز المتطور الحديث، والذي يحاكي بنية العين البشرية في تركيبه، حساس للضوء وذو رد فعل أسرع من العين الحقيقية.
وعلى الرغم من أنها لن تكون مزودة بتقنيات الرؤية الليلية أو التقريب التلسكوبي، إلى أنها تحتوي على عدسة إلكترونية لديها القدرة على الرؤية بشكل أكثر حدة من العين البشرية، وذلك بحسب ما قاله الباحثون صباح اليوم الخميس عبر مجلة Nature العلمية.
بُني البحث على حقيقة أن مادة البيروفسكايت ، وهي مادة موصلة وحساسة للضوء تستخدم في الخلايا الشمسية، يمكن استخدامها لإنشاء أسلاك رفيعة للغاية يبلغ طولها عدة آلاف من المليمتر.
يُعد إنشاء شبكية العين المنحنية أمرا مهما لأن الضوء يضربها فقط بعد المرور من خلال عدسة منحنية، ويقول هونجروي جيانغ، مهندس كهربائي في جامعة ويسكونسن ماديسون، الذي راجع الورقة الجديدة لكنه لم يشارك مباشرة في العمل: “عندما تحاول تصوير شيء ما، فإن الصورة التي تتكون بعد العدسة منحنية بالفعل”. “إذا كان لديك مستشعر مسطح، فلا يمكن تركيز الصورة بشكل حاد.” شبكية العين منحنية، ولكن مستشعرات الضوء الإلكترونية صلبة ومسطحة.
وقال المؤلف المشارك للدراسة Zhiyong Fan، مهندس الإلكترونيات والكمبيوتر في جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا، إن هذه الأسلاك تحاكي بنية خلايا المستقبلات الضوئية الطويلة والعين، لكن الصعوبة هي: كيف يمكننا اختلاق مجموعة من الأسلاك النانوية في طبقة نصف كروية لتشكيل هذه الشبكية النصف كروية؟”
لحل المشكلة، قام Fan وزملاؤه بتحويل رقائق الألومنيوم الناعمة إلى شكل نصف كروي، ثم قاموا بمعالجة المعدن بعملية كهروكيميائية حولته إلى عازل يسمى أكسيد الألومنيوم، وتركت هذه العملية أيضا المادة مرصعة بمسام نانوية. ونتيجة لذلك، ترك الباحثون في نصف الكرة المنحني الذي يحتوي على ثقوب متجمعة مريحة ومكتلة يمكنهم فيها “زرع” أسلاك البيروفسكايت النانوية.
يقول جيانغ: “كثافة الأسلاك النانوية عالية جدًا”. “إنها قابلة للمقارنة – إنها في الواقع أعلى – من كثافة المستقبلات الضوئية في عيون الإنسان.”
يقول المهندس وعالم المواد زيونج فان من جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا: “في المستقبل، يمكننا استخدام هذا الاختراع من أجل توفير قدرة الرؤية الاصطناعية للبشر والروبوتات البشرية”.
وقد استخدم فان وزملاؤه غشاء مصنوعا من أكسيد الألومنيوم المنحني المرصع بأجهزة استشعار ضوئية نانوية مصنوعة من مادة حساسة للضوء تسمى “البيروفسكايت”، وذلك بهدف تقليد التشكيل المعقد لشبكية العين.
واستطاعوا أن يجعلوا الأسلاك المتصلة بالشبكية الاصطناعية توصل قراءاتها من تلك المستشعرات إلى دوائر خارجية لمعالجتها، تماما مثلما تنقل الأعصاب البشرية الإشارات المختلفة من مقلة العين الحقيقية إلى الدماغ.
وبمجرد حصولهم على “شبكية العين” المنحنية، قام العلماء بدمجها في عين اصطناعية تضمنت عدسة منحنية في المقدمة، وانطلاقا من السائل المتخصص في العين الحقيقية، ملأ الفريق نسخته المحاكية الحيوية بسائل أيوني، وهو نوع من الملح السائل الذي يمكن أن تتحرك فيه الجسيمات المشحونة.
مقالات شبيهة:
علماء يستخدمون الذكاء الاصطناعي لتحويل إشارات الدماغ إلى كلام!
يقول فان: “أحد المكونات المهمة جدا في الداخل هو التجويف الذي ملأناه بالسوائل الأيونية”. “بمجرد أن تولد هذه الأسلاك النانوية رسومًا، سيتم تبادل الرسوم مع بعض الأيونات.” يسمح هذا التبادل الكهربائي لأسلاك البيروفسكايت بأداء الوظيفة الكهروكيميائية للكشف عن الضوء وإرسال هذه الإشارة إلى إلكترونيات معالجة الصور الخارجية.
وبحسب العلماء، تستطيع العين الاصطناعية أن تسجل وتلاحظ التغيرات في الإضاءة بشكل أسرع من العيون الطبيعية، بفرق يصل إلى 30 إلى 40 ميلي ثانية تقريباً، بدلاً من 40 إلى 150 مللي ثانية في العين البشرية.
كما ويمكن للجهاز رؤية الضوء الخافت كما تفعل العين البشرية أيضاً، وذلك على الرغم من أن مجال رؤيتها لا يتجاوز 100 درجة، وليس واسعاً مثل العين البشرية التي يبلغ مجال رؤيتها 150 درجة، لكنها أفضل من أجهزة استشعار التصوير المسطحة العادية التي لا يتجاوز مجال رؤيتها 70 درجة.
من الناحية النظرية، يمكن أن تعمل هذه العين الاصطناعية بدقة أعلى بكثير من العين البشرية، لأن الشبكية الاصطناعية تحتوي على حوالي 460 مليون مستشعر ضوئي لكل سنتيمتر مربع. في حين أن الشبكية الحقيقية تحتوي على حوالي 10 ملايين خلية للكشف عن الضوء لكل سنتيمتر مربع. لكن ذلك يتطلب قراءات منفصلة من كل جهاز استشعار.
وفي الإعداد الحالي، يبلغ سمك كل سلك متصل بالشبكية الاصطناعية حوالي ملليمتر واحد، وهو سمك كبير للغاية حيث أنه يلامس العديد من أجهزة الاستشعار في وقت واحد. ومن بينها هناك 100 من هذه الأسلاك تتناسب مع الجزء الخلفي من الشبكية، مما يخلق صورا بدقة 100 بكسل.
ولإظهار أنه يمكن توصيل أسلاك أرق بالعين الاصطناعية للحصول على دقة أعلى، استخدم فريق فان مجالاً مغناطيسياً لإرفاق مجموعة صغيرة من الإبر المعدنية، بسماكة تتراوح ما بين 20 إلى 100 مايكرومتر، إلى أجهزة الاستشعار النانوية المرفقة في شبكية العين الاصطناعية واحدة تلو الأخرى، والتي وصفها البروفيسور فان بأنها “عملية جراحية صعبة”.
ويقول البروفيسور هونجروي جيانغ، أن الطريقة الحالية التي يقوم فيها الباحثين بإنشاء وحدات البكسل فوق الصوتية الفردية غير عملية.
وأضاف: “نتحدث هنا عن بضع مئات من الأسلاك النانوية.. حسناً، ولكن ماذا عن الملايين منها؟.
سيحتاج المهندسون إلى طريقة أكثر كفاءة لتركيب مجموعة كبيرة للغاية من هذه الأسلاك الصغيرة على الجزء الخلفي من العين الاصطناعية لإعطائها الرؤية الخارقة المأمولة”.
يأمل فان العمل مع الباحثين الطبيين لبناء أجهزة اصطناعية بناءا على تصميم فريقه، ولكن القيام بذلك قد يتطلب المزيد من التطوير.
العين الاصطناعية “أنيقة حقًا، يقول جيسي دورن، نائب رئيس الشؤون السريرية والعلمية في شركة Second Sight الطبية الحيوية، التي لم تشارك في البحث: “يبدو العمل مذهلاً”.
“لكن [مؤلفو الدراسة] لا يتحدثون عن كيفية ربطها بالجهاز البصري البشري”.
وقال جيانج: “إن محاكاة العيون الطبيعية كان حلماً لكثير من مهندسي البصريات”، مشيرا إلى أن بعض الباحثين يسعون إلى تقليد عيون الثدييات وأن آخرين يعملون مع مركبات تشبه الحشرات.
ويضيف أن المجال بدأ أخيرا يحقق اختراقات حقيقية، ويعتقد أنه في غضون 10 سنوات، يجب أن نرى بعض التطبيقات العملية الملموسة لهذه العيون الإلكترونية”.