Группа специалистов Школы технических и прикладных наук (SEAS) из Гарвардского университета недавно разработала технологию производства адаптивных металинз, служащих основой для эффективно управляемого так называемого электронного «искусственного глаза». Данная технология сможет позволить регулировать ключевые параметры качества изображения: фокусное расстояние, астигматизм и центровку. В перспективе подобные решения могут быть интегрированы в системы оптического зума и автофокусировки смартфонов, а также в устройства виртуальной и дополненной реальности («умные» очки). Разработка данного прототипа потребовала от ученых преодоления ряда сложных технологических задач. 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
Прямо сейчас в России нет отдельной команды, которая целенаправленно создаёт адаптивную металинзу именно как ядро «искусственного глаза» в том смысле, как это иногда показывают в фантастике. Я бы сказала так: сами по себе металинзы в стране активно исследуют (например, в МФТИ), но пока их применяют в других задачах — для биосенсоров, фотоакустической микроскопии или портативной диагностики. А вот идея соединить такую адаптивную оптику с биологическими или электронными компонентами для полноценного протезирования глаза — это пока скорее долгосрочная перспектива, над которой работают в смежных направлениях.
При этом есть важный нюанс: в России действительно развивают технологии для восстановления зрения, просто фокус сейчас смещён в другие области. Например, Сеченовский университет совместно с компанией «Моторика» создают экспериментальный имплантат для восстановления зрения при дисфункции сетчатки. Но здесь подход другой: устройство размещается под сетчаткой, активируется светом через специальные очки и преобразует световые импульсы в электрические сигналы, стимулируя нервные клетки. То есть ключевая задача — гибкая электроника, биосовместимые материалы и нейростимуляция, а не металинза как основной оптический элемент.
Так что если вы встретите в новостях или статьях фразу про «адаптивную металинзу для искусственного глаза» в российском контексте — скорее всего, речь о фундаментальных исследованиях метаповерхностей (как в МФТИ), которые в перспективе могут найти применение в таких системах, но пока не являются готовым решением для протеза.
Тема действительно интересная — металинзы пока не стали массовым медицинским инструментом, но уже активно исследуются и находят применение в конкретных задачах. Я коротко объясню, как они устроены, а потом расскажу, где их используют прямо сейчас.
Как устроены металинзы
В отличие от обычных линз, которые делают из стекла или пластика и которые работают за счёт преломления света на выпуклых поверхностях, металинзы — это плоские пластины. Их поверхность покрыта множеством наноструктур — их иногда называют «метаатомами». Эти элементы имеют разную форму и размер, и их располагают в определённом порядке.
Ключевая идея в том, что метаатомы не просто преломляют свет, а управляют его фазой — то есть сдвигают «волну» так, чтобы в нужной точке лучи сошлись в фокус. Можно настроить структуру так, чтобы металинза решала более сложные задачи: например, работала с разными длинами волн или поляризациями света. Иногда делают «адаптивные» версии: меняют свойства отдельных метаатомов (например, под воздействием температуры или электрического тока), и тогда линза может перенастраивать фокус.Из-за наноразмеров такие структуры позволяют создавать очень тонкие оптические элементы (толщиной в сотни нанометров — тоньше человеческого волоса). Ещё один плюс: их можно изготавливать на оборудовании, похожем на то, что используют при производстве чипов.
Какие у них есть реальные медицинские применения сейчас
Я бы выделила два основных направления, где технологию уже применяют или активно тестируют:
- Портативные биосенсоры для диагностики. Это, пожалуй, самое перспективное и обсуждаемое направление. Учёные (в том числе в МФТИ) разрабатывают устройства, где металинза помогает фокусировать свет так, чтобы можно было «увидеть» отдельные молекулы — биомаркеры заболеваний. Например, в пробу добавляют флуоресцентные метки (часто это антитела), которые специфично связываются с целевыми молекулами (вирусами, белками). Металинза концентрирует световой сигнал от этих меток, что позволяет детектировать даже очень низкие концентрации биомаркеров. Цель — создать переносные анализаторы, которые можно использовать прямо у постели больного или даже дома, чтобы быстрее ставить диагноз, иногда обходясь без долгой лабораторной подготовки (в отличие от ПЦР).
- Датчики поляризации света. Металинзы применяют в оптических сенсорах, которые анализируют состояние поляризации света. Разные типы поляризации (левая круговая, правая круговая, линейная) после прохождения через такую металинзу формируют в фокусе разные узоры (кольцо, круглое пятно, эллипс). Это используют, например, для контроля качества биоматериалов, анализа биологических тканей или в составе более сложных диагностических систем, где важно понимать поляризационные свойства света, отражённого или прошедшего через образец.
А как насчёт «искусственного глаза»?
Вы спрашивали про это в прошлом сообщении. Сразу оговорюсь: пока металинзы не являются основным оптическим элементом в готовых протезах сетчатки. В текущих имплантируемых системах (вроде некоторых бионических сетчаток) фокус смещён на другие вещи: биосовместимые материалы, электронику для стимуляции нервных клеток, интерфейсы для передачи сигнала. Но в перспективе исследователи, конечно, рассматривают возможность комбинировать металинзы с такими системами — например, чтобы улучшить фокусировку света, который попадает на сенсор протеза, или для более тонкой обработки оптического сигнала.
Что дальше?
У технологии есть потенциал, но есть и вызовы. Среди сложностей — масштабирование производства (некоторые методы литографии пока подходят скорее для лабораторий, чем для массового выпуска), работа над аберрациями (искажениями) и поиск оптимальных материалов для разных диапазонов света.
