Onderzoekers van Hong Kong University of Science and Technology hebben een kunstmatig netvlies gemaakt van opeengepakte nanodraadjes die werken als lichtgevoelige sensoren. De nanodraadjes zitten in een rooster van een halve bol dat het menselijke netvlies nabootst. Het kunstmatige netvlies brengt het zicht van oogprotheses en robots een stapje dichter bij menselijke vermogens.
De onderzoekers presenteerden hun ontwerp onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Lichtgevoelige nanodraadjes werden al eerder gebruikt om een netvlies na te bootsen (lees: 'Nanodraadjes herstellen gezichtsvermogen’). Maar tot nu toe kregen onderzoekers het nog niet voor elkaar om de kenmerkende holle vorm van het menselijk oog na te maken.
De holle vorm van het menselijke netvlies zorgt ervoor dat de lichtstralen voorbij de ooglens beter convergeren op het brandpunt. Met een hol netvlies kun je dus scherper zien dan met een vlak netvlies. ‘Het grote knelpunt was het maken van een bolvormige plaat van aaneengesloten nanodraadjes’, zegt onderzoeker Zhiyong Fan in een persbericht.
Bolvormig membraan
De onderzoekers losten dit op door een rooster van miljoenen piepkleine nanodraadjes in een poreus membraan van aluminiumoxide te leggen. Dit membraan neemt de gewenste holle vorm aan: het ligt als een kommetje tegen de holle achterwand van een kunstmatig oog. De nanodraadjes prikken in de poriën van het membraan als de spijkers op een spijkerbed.
De draadjes zijn gemaakt van formamidinium-loodjodide, een materiaal dat licht omzet in elektrische stroom. Het wordt dan ook gebruikt bij de ontwikkeling van de nieuwste typen zonnepanelen. De nanodraadjes vangen afzonderlijk licht op en detecteren verschillen in lichtsterkte, net als de lichtgevoelige cellen in het netvlies.
Zoals het menselijke netvlies licht vangt en deze informatie via de oogzenuw naar de hersenen stuurt, sturen de sensoren in het kunstmatige netvlies de visuele informatie in de vorm van elektrische signalen door naar dikkere metalen vezels die uit de achterkant van het kunstoog komen. Door dit signaal te verwerken kan het kunstoog verschillen tussen licht en donker waarnemen.
In het ontwerp van de Hongkongse ingenieurs zijn metalen 'oogzenuwen' verbonden met een extern apparaat. Zo kan het kunstoog visuele informatie projecteren op een scherm.
Vooruitzicht
De sensoren zijn even gevoelig als de lichtgevoelige cellen in het oog, maar het kunstoog kan sneller reageren op licht, omdat de sensoren sneller herstellen dan die van mensen. Het kunstoog ziet een minder groot vlak, met een kijkveld van 100 graden, ten opzichte een kijkhoek van 130 graden voor een stilstaand mensenoog.
De hoeveelheid nanodraadjes per vierkante centimeter (460 miljoen) is groter dan het aantal lichtgevoelige cellen op het natuurlijke netvlies (10 miljoen). Ondanks de grotere dichtheid fotosensoren is de resolutie van het kunstoog op dit moment nog laag (tien pixels). De vezels die het elektrische signaal versturen zijn namelijk nog te dik om de informatie van elk nanodraadje apart te onderscheiden.
De constructie van het kunstmatige netvlies is goed afgekeken van zijn biologische tegenhanger, maar de weg naar een kunstoog dat net zo scherp kijkt als een menselijk oog is nog ver. Om beelden te transformeren met hogere resolutie, moeten de metalen oogzenuwen net zo dun zijn als de nanodraadjes, en op elke lichtsensor apart aansluiten. Vervolgonderzoek zal moeten uitwijzen of dit mogelijk is in de toekomst.
Figuur: Gu et al., Nature, 2020
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.