Специалисты известной Школы технических и прикладных наук (SEAS), которая находится в Гарвардском университете, недавно смогли разработаль технологию создания адаптивных металинз, служащих солидной основой для управляемого электронно «искусственного глаза». Данная новая технология позволяет регулировать три ключевых параметра качества изображения: фокусное расстояние, астигматизм и центровку. В перспективе подобные решения могут быть интегрированы в системы оптического зума и автофокусировки мобильных камер, а также в производство умных очков и устройств виртуальной и дополненной реальности. При создании “искусственного глаза” ученым из Гарварда пришлось решить ряд достаточно сложных проблем. Первая проблема имеет отношение к металинзам, линзам, которые преломляют свет не за счет своей формы, а за счет наличия на их поверхности огромного количества упорядоченных наноструктур соответствующей формы, размеры которых меньше длины волны света.

Исследователи столкнулись с тем, что объем данных файла, описывающего структуру металинзы, увеличивался с нескольких гигабайт до нескольких терабайт когда размеры линзы увеличивались от десятков микронов до сантиметра. Для решения этой проблемы был создан новый алгоритм кодирования информации, сокративший объем файла, но сохранивший совместимость с технологиями, используемыми для производства интегральных схем. Именно этот новый формат и позволил исследователям изготовить металинзы, размером в один сантиметр и больше.

Второй успешно решенной проблемой стала проблема создания подходящего типа искусственного мускула, сокращением которого можно управлять чисто электронным способом. Естественная линза человеческого глаза окружена ресничным мускулом, который или сжимает или растягивает ее, изменяя фокусное расстояние. В искусственном глазе роль этого мускула выполняет специальный электроактивный эластомер. Проблема, с которой довелось столкнуться исследователям, заключалась именно в этом эластомере, который, помимо способности сокращаться или растягиваться под воздействием электрического тока, должен был быть абсолютно прозрачным.

После череды попыток и испытаний исследователи нашли подходящий материал, на поверхность которого была прикреплена предварительно изготовленная металинза. Прикладываемый к материалу искусственного мускула электрический потенциал заставляет этот материал или сжиматься или растягиваться, что приводит к уменьшению или увеличению расстояния между наноструктурами на поверхности металинзы. Это, в свою очередь, приводит к изменениям оптических свойств этой металинзы и обеспечивает ее адаптивный характер.

В настоящее время толщина искусственного глаза, т.е. толщина слоя искусственного мускула и металинзы, составляет порядка 30 микрон. Единственным недостатком является достаточно высокое напряжение, которое требуется приложить к искусственному мускулу для получения необходимого растяжения или сжатия. Но эту проблему исследователи планируют решить в ближайшем времени, произведя поиск нового материала, которым можно управлять более низким напряжением. Параллельно с этим ученые постараются увеличить функциональность адаптивной металинзы, после чего ее можно будет использовать в микроскопах, телескопах и других оптических устройствах следующего поколения, где одна плоская адаптивная металинза сможет заменить собой сложную оптическую систему, состоящую из нескольких компонентов.

Для любознательных

Разработкой адаптивных металинз для «искусственного глаза» и бионических оптических систем занимаются ведущие мировые научно-исследовательские центры и лаборатории. Основные новаторы в этой области: 

• Гарвардская школа инженерных и прикладных наук (SEAS), США
  Лаборатория профессора Федерико Капассо (Federico Capasso) и Дэвида Кларка является пионером в этой области. Они создали Гарвардский плоский искусственный глаз, который объединяет металинзу и искусственные электроприводные мышцы. Эта система фокусируется в реальном времени и устраняет такие аберрации, как астигматизм. 
• Гонконгский университет науки и технологий (HKUST), Китай
  Ученые под руководством профессора Фань Чжиюна разработали сферический «искусственный глаз» (EC-Eye) с 3D-сетчаткой. Устройство имитирует структуру биологического глаза и корректирует дефекты зрения. 
• Университет Вашингтона и Арканзасский университет, США
  Исследовательские группы, специализирующиеся на метаповерхностях, интегрируемых с биосовместимыми материалами для медицинских применений.
• Университеты Южной Кореи
  Лаборатории (например, команда Junsuk Rho) активно работают над созданием адаптивных металинз для AR/VR и умных очков с переменным фокусом. 
• Российские профильные институты
  Исследования в сфере метаповерхностей, нанофотоники и адаптивной оптики ведут в Университете ИТМО (Санкт-Петербург), а также ученые из МФТИ и ФИАН.