Бионический глаз с нейронной сетью позволит вернуть зрение полностью слепым людям

Группа специалистов из Университета штата Пенсильвания (PSU) разработала устройство способное фиксировать изображения, примерно так же, как это делает глаз человека. Ученые считают, что в будущем подобные биотехнологии позволят создать искусственную сетчатку глаза и высокосортные видеокамеры с автономным питанием.

Ученые создали устройство, которое может воспринимать красный, синий и зеленый свет, как настоящий глаз, и формировать изображение объекта, подобно человеческому мозгу. Journal Interesting Engineering

Новый аппарат состоит из искусственной нейронной сети и узкополосных перовскитных фотодетекторов. Первые обрабатывают визуальные сигналы, захватываемые устройством, и создают высококачественные образы.

Тогда как перовскитные элементы работают подобно колбочкам - периферическим отросткам светочувствительных клеток сетчатки глаза, способных воспринимать красный, синий и зеленый (RBG) свет. Видимый свет, - то есть часть электромагнитного спектра, доступная человеческому глазу - представляет собой комбинацию этих трех цветов.

Кай Ванг, один из соавторов проекта и профессор материаловедения в ПГУ, в своем выступлении сказал: " Мы позаимствовали эту концепцию у природы - наша сетчатка содержит клетки-колбочки, чувствительные к красному, зеленому и синему свету, и нейронную сеть, которая обрабатывает увиденное еще до того, как информация передается в мозг".

Сверхновые звезды: Что это такое, как они появляются и какова их роль в жизни Вселенной

Чтобы лучше представить принцип работы искусственного глаза, необходимо понять, как работает настоящий глаз человек. Когда световой луч попадает на какой-либо объект в окружающем мире, он отражается от него попадает на роговицу, а затем в зрачок. Зрачок, расширяясь или сужаясь, регулирует световой поток, отсеивая лишнее. Благодаря зрачку мы можем видеть как при ярком свете, так и в темноте. Далее луч света попадает в хрусталик - двояковыпуклую линзу. Он преломляет лучи, фокусирует и “проектирует” их на сетчатку.

Сетчатка - самая сложная часть зрительного анализатора. Она состоит из фоторецепторов - клеток-колбочек, которые преобразуют отражаемый предметами свет в электрические импульсы. По зрительному нерву, расположенному за сетчаткой, эти сигналы передаются в мозг - большую нейронную сеть, которая обрабатывает эти сигналы и в итоге формирует изображение, которое мы видим.

Как работает искусственный глаз, вдохновленный биологией?

Новый научный проект демонстрирует уникальное устройство для захвата изображений, которое имитирует работу человеческого глаза. На рисунке изображен принцип работы устройства захвата изображения. Interesting Engineering Official.

Устройство, созданное командой специалистов ПГУ, работает практически точно так же, но использует искусственные элементы. Фотоны света попадают в устройство посредством линзы, а затем улавливаются узкополосными перовскитовыми фоторецепторами. Эти искусственные клетки фокусируются на различных частях спектра (RBG), составляющих световой поток, и преобразуют его в электрические сигналы.

"В своей работе нам удалось разработать новый способ создания перовскитного материала, чувствительного только к определенной длине волны света. Мы создали три различных перовскитных элемента. Каждый из них сконструирован таким образом, что может воспринимать только красный, зеленый или синий цвета", - говорит Ванг.

Из перовскитовых клеток свет попадает в искусственную нейронную сеть. В ИИ используются нейроморфные алгоритмы - специальные компьютерные команды, способные имитировать работу человеческого мозга по преобразованию электрических сигналов в изображения. В итоге в устройстве формируется изображение того или иного объекта.

Панацея от слепоты. Благодаря разработке искусственной роговицы проблема может быть решена. На сегодняшний день в мире катастрофически не хватает доноров-людей, а при имплантации искусственной роговицы риски для здоровья, связанные с операцией, снижаются многократно.https://www.youtube.com/@Interestingengineeringofficial

Новая технология приближает нас к созданию искусственной сетчатки глаза

Интересно, но перовскитные фоторецепторы, используемые в данном девайсе, функционально и структурно схожи с перовскитными ячейками, применяемыми в солнечных батареях. Таким образом, улавливая свет, эти элементы одновременно смогут вырабатывать энергию для питания устройства.

AIM-260: Соединенные Штаты нацелились на РФ и КНР ракетами, способными наносить кинетические удары "hit-to-kill"

"Конструкция устройства очень похожа на солнечные батареи, которые используют свет для производства электрической энергии. Как только вы направите на него источник света, он начнет вырабатывать ток. То есть, как и в случае с нашими зрением, для получения информации из света нам не нужно тратить энергию", - говорит Луяо Чжэн, один из соавторов исследования и научный сотрудник ПГУ. "Именно поэтому новая технология захвата изображения способна функционировать даже без аккумулятора, и в будущем она может привести к созданию камер с автономным питанием".

Однако для того, чтобы воплотить эти возможности в жизнь, необходимы дальнейшие исследования. Хочется надеяться, что созданное учеными биоинспирированное устройство для захвата изображений окажется действительно революционной инновацией. Результаты этого исследования были опубликованы в научном издании Science Advances.

На рисунке показан общий принцип работы перовскитного датчика NB для панхроматической визуализации, вдохновленного сетчаткой глаза человека.(A) Схематическая схема (i) типичной конструкции параллельного и (ii) суммирующего датчиков панхроматического изображения. КМОП - комплементарный металлооксидный полупроводник. (B) (i) Схема многослойной нейротрансмиттерной сети в нижней части сетчатки человеческого глаза (ii). (C) Схема, демонстрирующая трехслойный нейроморфный алгоритм обрабатывающий информацию и "реконструирующий" изображения. (D) Фотография массива перовскитных НБ ПД, изготовленного в данной работе. Примечание: C-, H-, B-, A-, G-клетки сокращенно обозначают колбочковые, горизонтальные, биполярные, амакриновые и ганглиозные клетки, соответственно. H1, H2 и H3 - три скрытых слоя нейроморфного алгоритма. The Pennsylvania State University.