Внедрение миниатюрной солнечной батареи в структуру живого глаза пока выглядит как фантастика. В тоже время, инициативная группа исследователей из Австралии как раз работает над практической реализацией этой идеи. Ученые полагают, что эта новая технология улучшит качество жизни для тех, кто имеет неизлечимые заболевания глаз. Здесь, нейропротезы взаимодействуют с нервной системой, восстанавливая утраченную функциональность. Хорошим примером является кохлеарный имплантат — небольшое электронное устройство, хирургически вживляемое во внутреннее ухо, которое стимулирует слуховой нерв, чтобы передавать звуковые сигналы непосредственно в мозг, улучшая слух. Теперь исследователи из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) изучают, сможет ли подобная технология нейропротезирования восстановить зрение у людей с повреждёнными фоторецепторами
— специализированными клетками сетчатки, способными поглощать свет и преобразовывать его в электрические сигналы, которые затем отправляются в зрительную кору головного мозга.
Чипы датчиков для камер обеспечивают высокое разрешение, экстремальную глубину цвета и всё большую чувствительность при низкой освещённости, но есть одна ключевая проблема: они нуждаются в питании. Страшно подумать, куда придётся засунуть батарею для матрицы в глазном яблоке, как её менять или заряжать. С другой стороны, есть и другая технология, способная превращать свет непосредственно в электричество, — солнечные фотоэлектрические панели.
“Люди с такими заболеваниями, как пигментный ретинит (ПР) и возрастная макулярная дегенерация (ВМД), медленно теряют зрение, поскольку фоторецепторы в центре глаза деградируют”, — говорит Удо Рёмер, инженер, специализирующийся на фотовольтаике, известной как технология солнечных батарей. “Долгое время считалось, что биомедицинские имплантаты в сетчатке могут заменить повреждённые фоторецепторы. Один из способов сделать это — использовать электроды для подачи электрических импульсов, который может позволить людям видеть небольшое пятно”.
Из света рождается зрение (обычно)
Когда свет попадает на сетчатку в задней части глаза, фоторецепторы преобразуют его в электрические сигналы. Эти сигналы проходят от сетчатки по зрительному нерву в мозг, где они преобразуются в изображение, которое вы видите.
Пигментный ретинит — это название группы редких генетических заболеваний глаз, которые вызывают медленное разрушение фоторецепторов, улавливающих изображение, что со временем приводит к потере зрения. При возрастной макулярной дегенерации (ВМД) повреждается макула — часть сетчатки, которая контролирует острое, прямолинейное зрение, что приводит к потере зрения в центральном поле зрения. В настоящее время не существует лекарства от ПР или ВМД.
Случайная встреча: объединение фотовольтаики и биомедицины
Поводом для начала исследования стала случайная встреча Рёмера со студентом-биомедиком.
“Я помогал аспиранту из нашей биомедицинской школы с обработкой данных, и мы провели несколько интересных дискуссий о различных исследованиях, которые ведутся в их группе, — рассказал Рёмер в интервью New Atlas. — Мне [очень] нравится работать над солнечными батареями, но многое из того, что они делают, очень интересно и звучит довольно футуристично. Его докторский проект был связан с солнечными батареями для нейростимуляции, и он показал мне научную работу группы Паланкера в Стэнфорде, посвящённую имплантации сетчатки глаза с помощью кремниевых солнечных батарей — вероятно, это одна из самых увлекательных работ, которые я читал, потому что она звучит как научная фантастика”.
Поначалу Рёмера не привлекли уже проведённые исследования по использованию фотоэлектрических элементов для восстановления зрения, поэтому он отложил эту идею в сторону.
“Но это было нечто, что запомнилось мне, потому что это было потрясающе”, — объясняет Рёмер. “Несколько месяцев спустя, когда я обсуждал исследовательский проект со своим руководителем, мы заговорили о многопереходных солнечных элементах, которые представляют собой несколько различных солнечных элементов, уложенных друг на друга, чтобы лучше использовать весь солнечный спектр. В этот момент меня осенило, и я подумал: “Может быть, такая укладка солнечных элементов позволит решить одну из проблем с устройством, над которым работает группа Паланкера?”.
Штабелирование солнечных элементов и смена материала
По мнению Рёмера, проблемы группы Паланкера можно было решить, сложив солнечные батареи в стопку и изменив полупроводниковый материал, используемый в устройстве.
“Им нужно было соединить три крошечных кремниевых солнечных элемента в каждом из пикселей, чтобы увеличить напряжение до значения, достаточно высокого для надёжной стимуляции нейронов”, — рассказал инженер изданию New Atlas. “Для того чтобы стимулировать нейроны, необходимо более высокое напряжение, чем то, которое вы получаете от одного солнечного элемента. Если представить фоторецепторы в виде пикселей, то нам действительно потребуется три солнечных элемента, чтобы создать напряжение, достаточное для отправки в мозг. Складывание солнечных элементов в стопку сделает то же самое [как и их соединение], но потенциально позволит уменьшить размер пикселей и, следовательно, повысить разрешение. Хотя мы не можем с лёгкостью складывать солнечные элементы из кремния, это можно сделать с помощью таких материалов, как арсенид галлия”.
Кремний остаётся самым распространённым полупроводником, используемым в производстве солнечных батарей. Также используются другие материалы, такие как арсенид галлия (GaAs) и фосфид индия галлия (GaInP). Хотя эти материалы не так дёшевы, как кремний, их преимущество в том, что их свойства легче настраивать.
После “довольно длительных исследований и некоторых расчётов” Рёмер подал заявку на получение премии Discovery Early Career Researcher Award (DECRA) в Австралийский исследовательский совет и добился финансирования проекта. После этого началась работа по усовершенствованию технологии.
“Уже были проведены испытания этой технологии”, — говорит Рёмер. “Но проблема в том, что для этого нужно вводить провода в глаз, а это сложная процедура”.
Альтернативная идея — использовать крошечную солнечную батарею, прикреплённую к глазному яблоку. Такая панель, естественно, будет автономной и портативной, что избавит от необходимости прокладывать провода в глаз.
Доказательство работоспособности концепции с огромным потенциалом
В настоящее время технология находится на стадии доказательства работоспособности концепции. Следующий шаг — превращение крошечных солнечных элементов в крошечные пиксели, необходимые для точного зрения.
“Пока что мы успешно разместили две солнечные батареи друг на друге в лаборатории на большой площади — около 1 см2 — и получили неплохие результаты”, — говорит Рёмер. Он ожидает, что после всесторонних лабораторных испытаний и тестирования на животных площадь устройства составит около 2 мм2 с пикселями размером около 50 микрометров. К тому времени оно должно быть готово к испытаниям на людях, но до этого ещё далеко.
Рёмер отмечает, что устройство работает только тогда, когда на него светит лазер, и пациенты будут видеть только в чёрно-белом изображении с довольно низким разрешением.
“Следует отметить, что даже с учётом эффективности сложенных солнечных элементов, солнечный свет может быть недостаточно сильным для работы этих солнечных элементов, имплантированных в сетчатку”, — говорит Рёмер. Возможно, людям придётся носить какие-то «умные» очки, которые будут работать в тандеме с солнечными батареями, способными усиливать солнечный сигнал до необходимой интенсивности, необходимой для надёжной стимуляции нейронов в глазу”.
Он также уверяет, что устройство нельзя будет использовать в неблаговидных целях.
“Это действительно “всего лишь” медицинское устройство, которое может помочь пациентам с определёнными заболеваниями сохранить зрение”, — сказал Рёмер в интервью New Atlas. “Мы далеки от создания киборгов”.
Автор: Вячеслав Голованов @SLY_G
Источник: https://habr.com/
