العين الإلكترونية لفاقدي البصر

هناك أمل قد يعيد للمكفوفين البصر، يتقدم كل من العلم والتكنولوجيا بسرعة عالية. يتم اكتشاف العديد من الأدوية بفضل قدرة التكنولوجيا على تحليل الكائنات الحية الدقيقة بشكل متزايد ، بالإضافة إلى إجراء الاختبارات بشكل أسرع وأكثر دقة.

عمل الباحثون من جميع أنحاء العالم على جعل حياتنا اليومية أكثر راحة بالإضافة إلى مساعدة أولئك الذين لديهم نوع من القيود.

العديد من القصص الخيالية التي نراها في الأفلام ، أصبح من الممكن الآن أن نحلم بوجودها في الواقع. إحدى تلك الأفكار هي رؤية شخص كفيف مرة أخرى. هل فكرت يومًا في مدى صعوبة هذا الأمر؟

هذا هو السؤال الذي يدرسه ويطوره باحثون من الولايات المتحدة وهونغ كونغ. أنشأ هؤلاء العلماء  من هذه البلدان شراكة لتطوير عين اصطناعية بحيث يمكنها القيام بأنشطة حقيقية.

مشروع عين المحاكاة الحيوية( Biomimetic Eye)

العين البشرية هي الطبيعة في أفضل حالاتها. جهاز عالي التخصص ومتطور، الشكل الكروي للعين  وشبكية العين نصف الكروية الحساسة للضوء ، تمثلان  تحديًا شديدًا في التصنيع لأجهزة المحاكاة الحيوية.

شبكية العين هي الجزء الأكثر تعقيدًا من عملية التصنيع. تحتوي شبكية العين على ملايين الخلايا الحساسة للضوء (العصي والمخاريط) وغيرها من الخلايا العصبية التي تتلقى المعلومات المرئية وتنظمها. عندما يدخل الضوء إلى العين، ينكسر ويركز بواسطة القرنية والعدسة، مما يؤدي إلى تكوين صورة منحنية، وهذا يعني أن شبكية العين يجب أن تكون منحنية أيضًا بحيث يمكن تركيز تلك الصورة بشكل حاد.

هنا تكمن المشكلة، أجهزة استشعار الضوء الإلكترونية صلبة ومسطحة بحيث إذا تم تصنيعها على ركيزة مسطحة وصلبة – كما تم القيام به تقليديًا – ومن ثم ثنيها أو تشكيلها في شكل، تكون كثافة تعبئة المستشعرات منخفضة نسبيًا مثل المساحة مطلوب بينهما للسماح للثني.

هياكل بيروفسكايت للتطبيقات البصرية

كان السيليكون ببراعته الكبيرة في نقل الإلكترونات ومعالجة الفوتونات، الدعامة الأساسية للإلكترونيات والتطبيقات الكهروضوئية لعقود. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات عالية الأداء وعالية الدقة، يجب أن تكون ذرات السليكون شديدة التبلور ونقية للغاية، وهو أمر مكلف ويستغرق وقتًا طويلاً لتحقيقه. علاوة على ذلك، فإن لها عيبًا واضحًا إلى حد ما لكونها مادة غير مرنة تمامًا وبالتالي لا يمكن تصنيعها بشكل واقعي في هياكل محاكية منحنية قد تحاكي، على سبيل المثال، شبكية العين.

كان مفتاح النجاح هنا هو تصنيع القبة النصف كروية مسبقًا بحيث يمكن تشكيل المستشعرات الضوئية مباشرة داخل القبة. للبدء، استخدموا ورقة رقيقة من رقائق الألومنيوم الناعمة، التي تشكلت على شكل نصف كروي، ثم قاموا بعد ذلك بعزل رقائق الألومنيوم المكونة لأكسيد الألومنيوم (Al 2 O 3 ) كيميائيًا . احتوى غشاء أكسيد الألومنيوم على مجموعة كثيفة من المسام النانوية. كانت هذه أماكن مثالية لإيواء أجهزة الاستشعار الضوئية الكهربائية.

و هنا ظهر التصميم الرائع. لتقليد المستقبلات الضوئية لشبكية العين، استخدم الفريق البيروفسكايت (يوديد الرصاص فورماميدينيوم) – وهي مادة موصلة وحساسة للضوء تُستخدم في الخلايا الشمسية لها العديد من فوائد السيليكون في التطبيقات الإلكترونية البصرية، بالإضافة إلى إمكانية تصنيعها في هياكل أخرى غير الرقائق المسطحة- تشكلت هذه الأسلاك النانوية البيروفسكايت الرقيقة للغاية مباشرة في مسام الغشاء. ثم تم إنشاء توصيل كهربائي للدائرة الخارجية عبر مجموعة أخرى من الأسلاك النانوية هذه المرة مصنوعة من معدن سائل (سهل الانصهار غاليوم – سبيكة إنديوم) – الخارجة من الجزء الخلفي من الجهاز، محاكية الألياف العصبية، ومختومة في أنابيب مطاطية ناعمة. بشكل لا يصدق، تمكن الفريق من تحقيق كثافة أسلاك متناهية الصغر تبلغ 4.6 × 10 8  سم -2 ، وهذا أكبر بكثير من كثافة المستقبلات الضوئية في شبكية العين والتي تبلغ ~ 10 7 سم–2 .

ثم تشكلت قزحية اصطناعية وعدسة في الجزء الأمامي من الجهاز، مع نصف الكرة الشبكية وصدفة نصف كروية أمامية من الألومنيوم – التنغستن مبطنة لتشكيل كرة مقلة العين. لتقليد الخلط الزجاجي، تم ملء الجهاز بالسائل الأيوني الذي سمح بالتبادل الكهربائي المطلوب لتشغيل الأسلاك.

و قد تمكن الفريق من إثبات وظيفة استشعار الصورة لجهاز المحاكاة الحيوية من خلال إعادة بناء الأنماط البصرية المسقطة على الجهاز.

اختبارات الأداء

في الاختبارات التي أجريت باستخدام عدسة لتركيز الصورة على الشبكية الاصطناعية، يمكن للباحثين إظهار أن الجهاز يمكنه الحصول على نمط صورة، والذي يمكن بعد ذلك قراءته بواسطة الكمبيوتر – على غرار القشرة البصرية للدماغ التي تكتسب وتفسر المحفزات البصرية إلى العين.

كثافة “المستقبلات” في شبكية العين الاصطناعية أعلى بكثير من كثافة المستقبلات الضوئية في شبكية العين البشرية، وبالتالي، تتمتع محاكاة الشبكية بدقة أعلى من عين الإنسان. ومع ذلك، فإن دقة الصورة محدودة بكثافة الأسلاك المعدنية السائلة في العمل الحالي. طور الفريق نهج إبرة مجهرية لتحسين الدقة.

المزيد من العقبات للتغلب عليها :

رغم النجاح الذي حققته العين الاليكترونية الا اننا بحاجة الي المزيد من التطوير والتحديث لنكون قادرين على استخدامها علي المستوي البشري

إحدى تلك المشكلات التي قد يكون حلها صعب هي عرض الأسلاك النانوية الخارجية السائلة، والتي يبلغ قطرها حوالي 700 ميكرومتر.

إنها حاليًا ضخمة جدًا بالنسبة لمقبس العين وستحتاج إلى أن يكون حجمها بضعة ميكرومترات فقط، ولا يمكن حاليًا جعل الأسلاك المعدنية السائلة بهذه الدقة.

كما أن تصنيع الجهاز مكلف وبطيء، ويحتاج حاليًا إلى طاقة خارجية. ومع ذلك، من المأمول أن يكون الجهاز يعمل بالطاقة الذاتية، بحيث يعمل كل سلك نانوي كخلية صغيرة تعمل بالطاقة الشمسية بواسطة بيروفسكايت ويتم تشغيله بالضوء.

في حين أن التوافق الحيوي وعمر العملية للعين لا يزالان غير مختبرين، فإن التحدي الحقيقي سيكون في كيفية توصيل الجهاز بالعصب البصري، بحيث يتمكن المخ البشري من قراءه الصور المرسلة له عن طريق العين الاليكترونية.

التطبيقات المستقبلية

يمثل مشروع عين المحاكاة الحيوية خطوة حقيقية إلى الأمام في مجال العيون الاصطناعية. إنه يوفر فرصة ملموسة لاستعادة الرؤية وخلق الرؤية (في المجال الآلي).

قد يؤدي هذا العمل إلى أجهزة استشعار ضوئي للمحاكاة الحيوية يمكن أن تكون مفيدة في مجموعة واسعة من التطبيقات التكنولوجية.

يعتقد الفريق أن الأجهزة التي تشبه العين يمكن أن تؤدي إلى صنع روبوتات شبيهة بالبشر يمكنها إجراء “اتصال بالعين” بشكل أفضل مع الشخص الذي يتفاعل مع الروبوت، أكثر من تلك التي تستخدم أجهزة استشعار الضوء التقليدية.

يمكن أن يؤدي هذا إلى الكثير من عدم الأمان، نظرًا لأن أجهزة الذكاء الاصطناعي ذات الرؤية الرائعة ستمنح الجهاز طاقة عالية إذا لم يكن هناك تحكم كبير في الخوارزميات.

قد يكون هذا شيئًا لا يمكن تجنبه في المستقبل، حيث أصبحت الآلات أكثر حداثة وتتفوق على البشر في كثير من المهمات. لكن التركيز الرئيسي هو منح هدية رؤية لأولئك الذين يحلمون كل يوم بتلك اللحظة.