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Wie man ein bionisches Auge baut
Die Leute denken nicht zweimal darüber nach, ein Bluetooth-Headset zu tragen, um Gespräche auf ihrem Handy zu führen. Nun, eines Tages ist es vielleicht nicht ungewöhnlich, eine Kontaktlinse zu tragen, die das Display des Telefons direkt auf das Auge projiziert. Forscher der University of Washington haben einen wichtigen ersten Schritt unternommen, um Kontaktlinsen zu entwickeln, die genau das können. Durch die Integration von Metallschaltkreisen und Leuchtdioden (LEDs) in eine polymerbasierte Linse haben sie einen funktionellen Schaltkreis geschaffen, der mit dem Auge biologisch kompatibel ist.
Die Augen haben es: Die Forscher bauten eine biokompatible Kontaktlinse mit funktionierenden LEDs, wie hier gezeigt. Sie hoffen, dass zukünftige Versionen des Objektivs als biomedizinischer Sensor fungieren oder eine Anzeige bieten können, die das Sichtfeld einer Person überlagert.
Wenn man sich die Struktur einer Linse anschaut, ist es nur ein einfaches Polymer, sagt Babak Parviz , Professor für Elektrotechnik an der University of Washington. Einige Forscher setzen Elektronik in Polymere ein, um beispielsweise flexible Schaltungen oder Displays zu bauen. Wir haben festgestellt, dass wir viele funktionelle Geräte herstellen können, die wirklich winzig sind und in Kontaktlinsen integriert werden können, um viel mehr zu tun, als nur die Sehkraft zu verbessern, sagt Parviz.
Das Team hat das elektronische Objektiv mit zwei Hauptzielen entwickelt, sagt er. Eines der Ziele bestand darin, zu sehen, ob es möglich wäre, ein Heads-up-Display zu bauen, das Bilder in das Sichtfeld einer Person einblenden kann und ihr gleichzeitig ermöglicht, die reale Welt zu sehen. Es wäre eine Art Augmented Reality, erklärt Parviz. (Siehe TR10: Augmented Reality .) Soldaten könnten die Technologie verwenden, um Informationen über ihre Umgebung zu sehen, die von Sensoren gesammelt wurden. Oder Zivilisten könnten die elektronische Linse als Handy-Display nutzen, um zu sehen, wer anruft und um sich während der Fahrt Videos anzusehen, obwohl diese Ziele langfristig seien, sagt er.
Eine andere mögliche Anwendung besteht darin, die Linse als Sensor zu verwenden, der die chemischen Konzentrationen im Körper überwachen und den Benutzer benachrichtigen könnte, wenn sie Anzeichen einer Krankheit anzeigen. Obwohl Parviz nicht näher auf die spezifischen Sensoren eingehen wird, die sein Team herstellt, erklärt er, dass viele Gesundheitsindikatoren von der Augenoberfläche aus überwacht werden können. Die lebenden Zellen des Auges stehen in indirektem Kontakt mit Blutserum, das Biomarker für Krankheiten enthält. Wenn ein Sensor zur Erfassung dieser Biomarker in eine Linse eingebaut würde, könnten Ärzte ein völlig neues, nicht-invasives Werkzeug für Krankheitstests haben. Darüber hinaus könnte das Objektiv die Veränderungen im Laufe der Zeit kontinuierlich überwachen und so einen umfassenderen Überblick über den Gesundheitszustand einer Person bieten.
Zugegeben, diese Anträge sind noch Jahre entfernt. Aber Parviz und sein Team haben den Grundstein für die Arbeit gelegt. In einem Vortrag im Internationale Konferenz für mikroelektromechanische Systeme In Tucson, AZ, beschreiben die Forscher letzte Woche, wie sie eine Linse mit 16 funktionierenden LEDs hergestellt haben. Die Linse bestand aus einem Polyethylen-Tetraphthalat-Substrat – der Art von Kunststoff, die in Getränkeflaschen verwendet wird –, das mit Metalldrähten zum Anschluss der LEDs bedeckt war.
Neben Drähten verwendeten die Forscher auch Chemikalien, um kreisförmige Vertiefungen zu fräsen, in denen die LEDs platziert wurden. Parviz weist darauf hin, dass eine Herausforderung beim Einbau von funktionierender Elektronik und Optoelektronik in Kunststoff darin besteht, dass diese Geräte mit hoher Hitze hergestellt werden müssen, die den Kunststoff schmelzen würde. Um dieses Problem zu umgehen, fertigte sein Team LEDs auf einem separaten Substrat an, um sicherzustellen, dass die Geräte leicht entfernt und auf die Kunststofflinse übertragen werden konnten.
Als nächstes beschichteten die Forscher die fertig montierten elektronischen Linsen mit Polymethylmethacrylat (PMMA), einem biokompatiblen Material. PMMA wird auch verwendet, um harte Kontaktlinsen zu beschichten, sagt Parviz, wodurch seine Linsen harten Kontaktlinsen ähnlicher sind als die weichen Kontaktlinsen, die heute von den meisten Menschen getragen werden. Im letzten Schritt formten die Forscher den Kunststoff in die Form einer Linse.
Als das Team die Linsen testete, war die Schaltung funktionsfähig und die LEDs leuchteten. Die Forscher platzierten die Linse auch 20 Minuten lang in einem Kaninchenauge und stellten keine Nebenwirkungen fest. Sie schalteten die Elektronik jedoch nicht ein, während sich die Linse im Auge des Kaninchens befand. Ich denke, wir müssen aufpassen, was mit dem Auge passiert, wenn es sich einschaltet, sagt Parviz. Es ist eine funktionierende Schaltung. Es könnte etwas Hitze erzeugen. Wir müssen alle möglichen Vorkehrungen treffen, um sicherzustellen, dass dies sicher ist. Zwar kann der menschliche Körper einer Reihe von Temperaturen standhalten, aber letztendlich müssen die Schaltkreise so ausgelegt sein, dass sie extrem wenig Strom verbrauchen.
Die Idee, einen Schaltkreis in eine Kontaktlinse zu bauen, ist interessant – sie erregt die Aufmerksamkeit, sagt George Whitesides , einem Chemieprofessor in Harvard, der nicht an dem Projekt beteiligt ist. Es war etwas, worüber andere sicherlich gesprochen haben, aber ich habe zumindest nie eine Art von Umsetzung gesehen. Whitesides fügt hinzu, dass dies ein früher Schritt ist und es immer noch das Problem gibt, der Linse Kraft zu verleihen, während sie sich im Auge befindet. Außerdem hat der Prototyp der University of Washington keine klare Funktion.
Einer der nächsten Schritte für das Team besteht darin, die Anzahl der LEDs auf dem Objektiv auf einige Hundert zu erhöhen, in der Hoffnung, ein brauchbares Display zu erstellen. Derzeit haben die LEDs einen Durchmesser von etwa 300 Mikrometern, was die Anzahl der LEDs, die auf ein Objektiv gesteckt werden können, natürlich einschränkt. Außerdem neigen LEDs dieser Größe dazu, beim Linsenformungsprozess zu brechen. Das Team von Parviz wird versuchen, die LEDs in zukünftigen Experimenten auf 30 Mikrometer zu verkleinern, wodurch das Objektiv einige hundert Pixel anzeigen könnte, sagt er.