Ojo artificial mejorado por la retina hemisférica

Se ha creado un ojo artificial que incorpora sensores de luz densamente empaquetados, a escala nanométrica, en un dispositivo semiesférico similar a una retina. Algunas de sus capacidades sensoriales son comparables a las de su homólogo biológico.

La ciencia ficción suele presentar robots que tienen ojos artificiales, así como ojos biónicos que interactúan con el cerebro humano para restaurar la visión de las personas ciegas. Se han hecho muchos esfuerzos para desarrollar esos dispositivos, pero la fabricación de la forma esférica de un ojo humano, en particular de una retina hemisférica, es un enorme desafío que limita considerablemente la función de los ojos artificiales y biónicos. En un artículo publicado en Nature, Gu y otros1 informan sobre una innovadora retina hemisférica cóncava que consiste en un conjunto de sensores de luz a escala nanométrica (fotosensores) que imitan las células fotorreceptoras de la retina humana. Los autores utilizan esta retina en un ojo electroquímico que tiene varias capacidades comparables a las del ojo humano, y que realiza la función básica de adquirir patrones de imagen.

El ojo humano, con su retina hemisférica, tiene una disposición óptica más ingeniosa que, por ejemplo, la de los sensores de imagen plana de las cámaras: la forma de cúpula de la retina reduce naturalmente la propagación de la luz que ha pasado a través del cristalino, agudizando así el enfoque. El componente central del ojo biomimético electroquímico de Gu y sus colegas es el conjunto de fotosensores de alta densidad que sirve como retina (Fig. 1). Los fotosensores se crearon directamente dentro de los poros de una membrana hemisférica de óxido de aluminio (Al2O3).

Esquema ojo biométrico artificial

Figura 1 | Un ojo artificial biomimético. Gu et al.1 reportan un sistema visual artificial que imita el ojo humano. Un implante de lente se fija sobre una abertura en un “globo ocular”, que consiste en una carcasa metálica en la parte delantera, una retina artificial en la parte trasera y un líquido iónico en el medio. El avance clave es la retina hemisférica: un denso conjunto de nanocables sensibles a la luz alojados en los poros de una membrana de óxido de aluminio. Los nanocables imitan las células fotorreceptoras de las retinas biológicas. Un conector polimérico sujeta la retina, asegurando el contacto eléctrico entre los nanocables y los cables de metal líquido en la parte posterior. Los nanocables de metal líquido imitan las fibras nerviosas transmitiendo señales de los nanocables a los circuitos externos para el procesamiento de la señal.

Los nanocables delgados y flexibles hechos de un metal líquido (aleación eutéctica de galio e indio), sellados en tubos de goma suave, transmiten las señales de los fotosensores de nanoalambre a los circuitos externos para el procesamiento de la señal. Estos cables imitan las fibras nerviosas que conectan el ojo humano con el cerebro. Una capa de indio entre los cables de metal líquido y los nanocables mejora el contacto eléctrico entre ambos. La retina artificial se mantiene en su lugar mediante un enchufe hecho de un polímero de silicona, para asegurar la alineación adecuada entre los cables y los nanocables.

Una lente combinada con un iris artificial se coloca en la parte delantera del dispositivo, al igual que en el ojo humano. La retina en la parte posterior se combina con una cubierta hemisférica en la parte delantera para formar una cámara esférica (el “globo ocular”); la cubierta hemisférica frontal está hecha de aluminio revestido con una película de tungsteno. La cámara está llena de un líquido iónico que imita el humor vítreo, el gel que llena el espacio entre el cristalino y la retina en el ojo humano. Esta disposición es necesaria para el funcionamiento electroquímico de los nanocables. La similitud estructural general entre el ojo artificial y el ojo humano confiere al dispositivo de Gu y sus colegas un amplio campo de visión de 100°. Esto es comparable con los 130° del campo de visión vertical de un ojo humano estático.

La imitación estructural del ojo artificial de Gu y sus colegas es ciertamente impresionante, pero lo que realmente lo hace diferenciarse de los dispositivos anteriormente descritos es que muchas de sus capacidades sensoriales se pueden comparar favorablemente con las de su homólogo natural. Por ejemplo, la retina artificial puede detectar una amplia gama de intensidades de luz, desde 0,3 microvatios hasta 50 miliwatts por centímetro cuadrado. A la menor intensidad medida, cada nanocable de la retina artificial detecta un promedio de 86 fotones por segundo, a la par de la sensibilidad de los fotorreceptores de la retina humana. Esta sensibilidad se deriva del material perovskita utilizado para fabricar los nanocables. Los compuestos de perovskita son materiales extremadamente prometedores para diversas aplicaciones optoelectrónicas y fotónicas2. La perovskita utilizada por Gu y sus colegas es yoduro de plomo de formamidinio, y fue elegida por sus excelentes propiedades optoelectrónicas y su buena estabilidad.

La respuesta de los nanocables, que mide la corriente producida por cada vatio de luz incidente, es casi la misma para todas las frecuencias del espectro visible. Además, cuando el conjunto de nanocables es estimulado por pulsos regulares y rápidos de luz, puede producir una corriente en respuesta a un pulso en tan sólo 19,2 milisegundos, y puede tardar tan sólo 23,9 ms en recuperarse (volver a su estado inactivo) cuando el pulso ha terminado. Los tiempos de respuesta y recuperación son parámetros importantes, porque en última instancia determinan la rapidez con que el ojo artificial puede responder a una señal de luz. A modo de comparación, los tiempos de respuesta y recuperación de los fotorreceptores en las retinas humanas oscilan entre 40 y 150 ms.

Tal vez lo más impresionante sea la alta resolución de las imágenes logradas por la retina artificial de Gu y sus colegas, que es el resultado de la alta densidad del conjunto de nanoalambres. En las retinas artificiales anteriores, los fotosensores se fabricaban primero en sustratos planos y rígidos; después, o bien se transferían a superficies de soporte curvadas3 o bien el sustrato se plegaba en una curva4. Esto limitaba la densidad de las unidades de imagen, porque había que dejar espacio entre ellas para permitir la transferencia o el plegado.

Por el contrario, los nanocables del dispositivo de Gu y sus colaboradores se forman directamente en una superficie curva, lo que permite que se agrupen con mayor precisión. De hecho, la densidad de los nanocables llega a ser de 4,6 × 108 cm-2, mucho mayor que la de los fotorreceptores de la retina humana (unos 107 cm-2). La señal de cada nanocable se puede obtener individualmente, pero los píxeles del dispositivo actual se formaron a partir de grupos de tres o cuatro nanocables.

El rendimiento general del ojo artificial de Gu y sus colegas representa un gran salto adelante para estos dispositivos, pero aún queda mucho por hacer. En primer lugar, el conjunto de fotosensores es actualmente de sólo 10 × 10 píxeles, con un espacio de aproximadamente 200-µm entre los píxeles; esto significa que la región de detección de la luz tiene sólo unos 2 mm de ancho. Además, el proceso de fabricación implica algunos pasos costosos y de bajo rendimiento, por ejemplo, se utiliza un costoso proceso conocido como grabado con rayo de iones focalizados para preparar cada poro para la formación de nanocables. En el futuro deberán desarrollarse métodos de fabricación de alto rendimiento para producir conjuntos de fotosensores más grandes, a un costo drásticamente reducido.

En segundo lugar, para mejorar la resolución y la escala de la retina, será necesario reducir el tamaño de los nanocables de metal líquido. El diámetro exterior de los nanocables es de unos 700 µm, pero lo ideal sería que fuera comparable al diámetro de los nanocables (unos pocos micrómetros). Actualmente es un desafío reducir el diámetro de los nanocables de metal líquido a ese tamaño.

En tercer lugar, se necesitan más pruebas para establecer la vida útil de la retina artificial. Gu y sus colegas informan de que no hay una reducción obvia de su rendimiento después de nueve horas de funcionamiento, pero el rendimiento de otros dispositivos electroquímicos puede deteriorarse con el tiempo. Por último, los autores señalan que los tiempos de respuesta y recuperación de su dispositivo se reducen a mayores concentraciones del líquido iónico, pero a expensas de la transmisión de luz a través del líquido. Es necesario seguir optimizando la composición del líquido iónico para resolver este problema.

No obstante, la labor de Gu y sus colegas se suma a los adelantos que se han hecho en los últimos decenios3-9, que se han logrado imitando no sólo los ojos parecidos a los de las cámaras (como los de los seres humanos), sino también los ojos compuestos parecidos a los de los insectos. Habida cuenta de estos avances, parece factible que podamos ser testigos del amplio uso de ojos artificiales y biónicos en la vida cotidiana en el próximo decenio.

Referencias

  1. 1.

    Gu, L. et al. Nature 581, 278–282 (2020).

  2. 2.

    Stranks, S. D. & Snaith, H. J. Nature Nanotechnol. 10, 391–402 (2015).

  3. 3.

    Ko, H. C. et al. Nature 454, 748–753 (2008).

  4. 4.

    Zhang, K. et al. Nature Commun. 8, 1782 (2017).

  5. 5.

    Jung, I. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, 1788–1793 (2011).

  6. 6.

    Liu, H., Huang, Y. & Jiang, H. Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, 3982–3985 (2016).

  7. 7.

    Floreano, D. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 110, 9267–9272 (2013).

  8. 8.

    Huang, C. C. et al. Small 10, 3050–3057 (2014).

  9. 9.

    Jeong, K. H., Kim, J. & Lee, L. P. Science 312, 557–561 (2006).

Traducción: Asociación Mácula Retina.

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