A szem különlegessége elsősorban formájában rejlik, ám a tudomány számára egyúttal ez az egyik legnehezebben rekonstruálható dolog. Ott van például a retina, látásérzékelésünk első bástyája, amit több, egymással összeköttetésben álló sejtsor alkot, frontvonalában pedig fényérzékeny csapok és pálcikák találhatók. Mivel a retina teljes funkcionalitása napjainkban sem ismert teljesen, a szakértőknek meglehetősen nehéz volt lemásolni. Az új találmány abban különbözik elődeitől, hogy azok készítésénél a fényérzékelő receptorokat előbb sima felületekre helyezték, és csak ezután hajlították félgömb alakúra. Ez a módszer viszont korlátozta a fényérzékelők sűrűségét és ezáltal a bionikus szem hatékonyságát.

A Nature-ben megjelent tanulmányban a hongkongi Tudományos és Technológiai Egyetem kutatói arról számoltak be, hogy megtalálták a megoldást, hogyan lehet a fényérzékelő receptorokat közvetlenül félgömb alakban a mesterséges retinába építeni. Ez lehetővé tette számukra egy olyan eszköz létrehozását, melynek látómezeje, reakcióképessége és felbontása pontosan lemásolja az emberi szemét.

"Gu és csapatának műszeme minden szempontból lenyűgöző, de amiért valóban kiemelkedik a korábbi eszközök közül, hogy szinte teljesen meggyezik az eredeti szemmel" - reflektál a tanulmányra Hongrui Jiang, a Wisconsini Madison Egyetem kutatója.

Az áttörés kulcsa egy olyan ötletes módszer volt, amellyel a fényérzékelőket egy kupola alakú mesterséges retinába ültették. A csapat alumínium-oxidot használt a félgömb előállítására, melynek felszínét sűrűn bevonták perovszkit-összetételű nanoszálakkal, majd gőzfázisú leválasztással növelték a szálak térfogatát. (A perovszkit egy félig átlátszó és rugalmas anyag, olyan kristály, amely ezerszer vékonyabb a hagyományos szilíciumnál, egyben a leggyakrabban használt energia-abszorbáló anyag a napelemekben, míg a nanoszálak a fotoreceptorok helyettesítésére szolgálnak.) Valahányszor a szálak fényt érzékelnek, elektromos jeleket közvetítenek a retina hátuljára rögzített folyékony fémhuzaloknak. A kutatók később egy másik, alumíniumból készült félgömböt is alkottak, a közepén egy lencsével, ami a szem elülső részeként szolgál, a közte és a retina közti teret pedig ionos folyadékkal töltötték meg, melynek célja a természetes szemfolyadék tulajdonságainak reprodukálása. Ezt követően számítógépes tesztelésnek vetették alá a bionikus szemet, melynek során bebizonyosodott, hogy az képes felismerni a betűk láncolatát. Noha a műszem nem tudta elérni az emberi szem százharminc fokos látómezejét, száz fokban sikerült elforgatni, ami jelentős javulás az eddigi rekord hetven fokhoz képest.

Más szempontból ugyanakkor a bionikus szem lekörözte az eredeti látószervet, a nanoszálak fotoreceptorai ugyanis gyorsabban reagáltak: 19,2 milliszekundumban aktiválódtak, és olyan sebességgel helyre álltak, hogy a 23,9. milliszekundumban már újra aktiválhatók voltak. Ez az úgynevezett válasz és helyreállási idő az emberi fotoreceptorokban 40-150 milliszekundum között mozog. Mindemellett

a nanoszövetek sűrűsége a mesterséges retinában több mint tízszerese az emberi szem fotoreceptorai sűrűségének, ami arra utal, hogy a technológiai újítások egy nap lekörözhetik a természet adta tulajdonságokat.

Jelenleg a legnagyobb akadályt a fényérzékelők 'bekötése' jelenti: a folyékony fémcsatlakozások két nagyságrenddel szélesebbek a nanoszöveteknél, tehát egyszerre mindegyik több fényérzékelőhöz csatlakozik, de a mesterséges retina hátuljára egyelőre csak száz rögzíthető. Ez azt jelenti, hogy a fényérzékelők sűrűsége ellenére a szem felbontása csupán száz pixel. A kutatók nikkel mikrotűkkel is kísérleteztek, ami a mágneses mező közreműködésével egyszerre három nanovezetékhez csatlakozhat, ám ez a folyamat egyrészt bonyolult kézi eljárás, másrészt arányaiban összehasonlíthatatlan a mesterséges retinában található milliós nagyságrendű nanoszálakkal. Ennek ellenére a szakemberek ígéretesnek tartják az eszközt, hiszen azt sugallja, hogy hamarosan talán képesek leszünk a természet legkifinomultabb formáinak egyikét is lemásolni.

„Előrelépéseink fényében elképzelhető, hogy a mesterséges és bionikus szem széles körben elterjed majd a következő évtizedben” - mondja Jiang.

"Mikor nyomtatsz már nekem egy rendes szemet?"

A kérdést Michael McAlpine, a Minnesotai Egyetem kutatójának édesanyja tette fel fiának, a hölgy ugyanis az egyik szemére vak, és mindennél jobban szerette volna, ha fia kitalál valamit a probléma orvoslására. Nos, ez 2018-ban megtörtént, ekkor sikerült ugyanis először háromdimenziós nyomtatással félgömb alakú felületre fényreceptorokat nyomtatni.

A Minnesotai Egyetem kutatói speciális nyomtatót fejlesztettek, mellyel elkészítették az ezüstözött felületet, amire aztán fotodiódákat illesztettek. (A diódák elektromosságá alakítják a fényhullámokat.)

Az akkori prototípus még csupán huszonöt százalékos hatékonysággal tudta elektromossággá alakítani a fényt, ám az Advanced Materials tudományos folyóiratban megjelent tanulmányban a kutatók már akkor rávilágítottak, hogy a háromdimenziós nyomtatás óriási lehetőségű lesz a bionikus szervek és testrészek piacán.

(Fotó: Needpix)