Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 40 – vyšlo 9. října, ročník 18 (2020) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

40/2020

Nejmocnější bionické oko

Petr Panchártek

Lidské oko je neuvěřitelně složitý orgán, takže není divu, že jsme jen s obtížemi postupně poznávali jeho vlastnosti. Vědci nyní představili první umělé oko na světě s 3D obrazovým snímačem, které může nejen překonat ostatní doposud známá protetická zařízení, ale má potenciál vidět mnohem lépe než skutečné lidské oko. BionickáBionika – hraniční obor, který je zaměřený na systematické uplatňování poznatků ze stavby a funkcí živých organizmů a jejich struktur při vývoji nových technologií. Spojuje biologii s technikou. oční bulva je kompatibilní s člověkem a v blízké budoucnosti bude mít téměř padesátkrát více „snímacích“ nanodrátů, než je optických buněk v lidské sítnici. Vědci naznačují, že případný produkt by mohl vidět předměty dále a detailněji než lidské oko. Bude tak možné obnovit lidský zrak a nebo dokonce překonat zdravý normální zrak, a to včetně vidění ve tmě.

Bionické oko (umělecké ztvárnění). Zdroj: Yaying Xu,
oFantastic Color Technology Co., Ltd, Daily Mail

Biomimetika – vědní obor, který zkoumá živé organizmy, jejich konstrukční řešení a nabyté poznatky uplatňuje v moderních technologiích. Bionika – hraniční obor, který je zaměřený na systematické uplatňování poznatků ze stavby a funkcí živých organizmů a jejich struktur při vývoji nových technologií. Spojuje biologii s technikou. Oční čočka – průhledná bikonvexní (ve tvaru čočky) struktura v oku, která spolu s rohovkou láme světlo tak, aby mohlo být zaměřeno na sítnici. Čípek – fotoreceptorická buňka v oční sítnici, která umožňuje barevné vidění. Vyskytuje se v určité podobě u většiny obratlovců, ačkoliv chybí například u paryb či u některých nočních obratlovců. Čípek je pojmenován podle tvaru této buňky. Sítnice – vnitřní tenká vrstva oka obratlovců. Její hlavní funkcí je snímání a předzpracování světelných signálů, které na sítnici nasměruje čočka. Sklivec – průhledné, čiré, bezbarvé, rosolovité těleso s řídkou vláknitou strukturou, která vyplňuje 2/3 vnitřního prostoru oční bulvy (bulbus oculi) za oční čočkou a jejím závěsným aparátem, tzv. řasnatým tělískem (corpus ciliare). Suprachoroidální prostor – tenká zakřivená oblast na obvodu zadní části oka, možná dráha pro vedení signálu. Tetrachromacie – využívání čtyř nezávislých kanálů pro přenos barevných informací nebo využívání čtyř typů kuželových buněk v oku. Organizmy s tetrachromací se nazývají tetrachromáty. Tetrachromát – organizmus, jehož smyslový barevný prostor je čtyřrozměrný, což znamená, že k vytvoření smyslového účinku libovolně zvolené barvy z viditelného spektru je třeba použít směsi alespoň čtyř základních barev. Tyčinka – fotoreceptorická buňka v oční sítnici obratlovců, která obecně umožňuje vnímání kontrastů (černobílé mlhavé vidění při nízkém osvětlení). Tyčinka je pojmenována podle protáhlého až vláknitého tvaru.

Současnost a vize

Bionické oči ukázaly způsob, jak obnovit zrak lidem, kteří jej ztratili a možná i těm, kteří ho nikdy neměli. V současné době jsou nejpokročilejší verze od společností Bionic Vision Australia a Second Sight, které byly již implantovány pacientům jako protézy. Obě tyto verze mají stejnou základní formu: jde o brýle s fotoaparátem umístěným uprostřed. Data z brýlí jsou zpracována malou jednotkou mimo tělo a poté odeslána do implantátu na sítnici uživatele. Odtud jsou signály přenášeny do vizuálního centra mozku.

A ono to funguje. Uživatelé hlásili, že jsou schopni znovu vidět záblesky světla, poprvé za poslední roky. Tato technologie bohužel není dostatečně citlivá na to, aby se na ni uživatel mohl spolehnout při pohybu venku. Studie ukázaly, že tyto druhy bionických očí mohou vytvářet pruhované obrazy a jsou příliš pomalé na to, aby zachytily rychlé pohyby.

Bližší pohled na systém Bionic Eye od společnosti Bionic Vision. 1. Fotoaparát pořizuje snímky v reálném čase. 2. Obrázky odeslané do jednotky zpracovávající in­for­mace. 3. Viditelné podněty jsou zakódovány a jsou přeneseny pomocí bez­drá­to­vého rozhraní do implantátu umístěného pod pokožkou hlavy. Implantát předává pomocí elektrod elektrické signály do suprachoroidálního prostoruSuprachoroidální prostor – tenká zakřivená oblast na obvodu zadní části oka, možná dráha pro vedení signálu.. Signály dále putují až k sítnici. Zdroj: Bionic Vision.

Tým vedený vědci z Hongkongské univerzity vědy a technologie (HKUST) vyvinul zařízení, kterému se říká elektrochemické oko. Nový koncept biomimetickéhoBiomimetika – vědní obor, který zkoumá živé organizmy, jejich konstrukční řešení a nabyté poznatky uplatňuje v moderních technologiích. oka by mohl znamenat významné zlepšení parametrů bionického oka. Nové biomimetické zařízení s tajuplným názvem EC-EYE (ElectroChemical EYE) je široké asi jeden palec a bylo postaveno vědci z Hogkonkgu a Spojených států.

Nové oko nepoužívá dvourozměrný obrazového snímač jako fotoaparát. Tvar snímače kopíruje konkávní křivku skutečné sítniceSítnice – vnitřní tenká vrstva oka obratlovců. Její hlavní funkcí je snímání a předzpracování světelných signálů, které na sítnici nasměruje čočka. lidského oka. Tento povrch je posetý řadou malých senzorů detekujících světlo, které napodobují přirozené fotoreceptorové buňky na lidské sítnici. Senzory jsou poté připojeny ke svazku drátů z tekutého kovu, které fungují jako optický nerv. To vše je zabaleno do membrány z hliníku a wolframu, která je tvarovaná do polokoule napodobující lidskou sítnici.

Schéma jednotlivých částí biomimetickéhoBiomimetika – vědní obor, který zkoumá živé organizmy, jejich konstrukční řešení a nabyté poznatky uplatňuje v moderních technologiích. oka EC-EYE. Zdroj: HUST.

BiomimetickéBiomimetika – vědní obor, který zkoumá živé organizmy, jejich konstrukční řešení a nabyté poznatky uplatňuje v moderních technologiích. oko má velikost srovnatelnou s lidským okem, jen o něco více než dva centimetry v průměru. Může být použito jako vizuální protéza pro pomoc nevidomým a zrakově postiženým lidem. Unikátní design může poskytnout lepší rozlišení než lidské oči. Toho lze docílit zvýšením hustoty nanosenzorů na více než desetinásobek hustoty fotoreceptorových buněk v přirozeném lidském oku. Biomimetické oko by mohlo obnovit zrak nevidomým nebo slabozrakým lidem, kterých je po celém světě odhadem 285 milionů.

Na první pohled možná děsivé biomimetické zařízení EC-EYE (ElectroChemical EYE) je širokéněco přes dva centimetry a bylo vyrobeno vědci z Hongkongu a USA. Zdroje: Gu et al., Nature, Daily Mail a New Atlas.

Popis bionického oka

Lidské oko má důmyslnější optické uspořádání než ploché obrazové snímače ve fotoaparátech. Jeho jedinečná kopulovitá sítniceSítnice – vnitřní tenká vrstva oka obratlovců. Její hlavní funkcí je snímání a předzpracování světelných signálů, které na sítnici nasměruje čočka. umožňuje zaostření světla procházejícího čočkou. Výroba syntetických verzí, které kopírují tyto přirozené vlastnosti, byla doposud nemožná. Profesor Zhiyong Fan a jeho kolegové z HKUST připravili novou ornou půdu pro vývoj fotosenzorů s vysokou hustotou, které fungují jako sítnice. Jsou vytvořeny přímo uvnitř pórů oxidu hlinitého, což je chemikálie tvrdá téměř jako diamant. Tenké, pružné vodiče vyrobené z tekutého kovu jsou uzavřené v hadičkách z měkké gumy a přenášejí signál do vnějších obvodů za účelem zpracování, což napodobuje neuronová nervová vlákna.

Umělá sítnice je uchycena objímkou vyrobenou ze silikonového polymeru PDMS (polydimetylsiloxan). V přední části je umístěna čočka se simulovanou duhovkou, která dodává vzhled oční bulvy. Vnitřní komora je naplněná iontovou kapalinou, která láme světlo podobně jako sklivecSklivec – průhledné, čiré, bezbarvé, rosolovité těleso s řídkou vláknitou strukturou, která vyplňuje 2/3 vnitřního prostoru oční bulvy (bulbus oculi) za oční čočkou a jejím závěsným aparátem, tzv. řasnatým tělískem (corpus ciliare). u skutečných očí. Gel mezi čočkou a sítnicí slouží pro chemický provoz nanovodičů. Celkové strukturální uspořádání poskytuje široké zorné pole 100°. Statické lidské oko dokáže zvládnout až 160°, ale vědecký tým EC-EYE tvrdí, že jejich oko ještě „nejede na plný plyn“.

Části biomimetickéhoBiomimetika – vědní obor, který zkoumá živé organizmy, jejich konstrukční řešení a nabyté poznatky uplatňuje v moderních technologiích. oka EC-EYE. Zdroj: Nature, HUST.

Lidské oči mají široké zorné pole, vynikající rozlišení a jsou vysoce citlivé na světlo. Je to díky klenutému tvaru sítnice a obrovskému počtu fotoreceptorových buněk, až kolem deseti miliónů na centimetr čtvereční. Vytvoření syntetických očí, které napodobují tyto vlastnosti, je velmi zajímavá oblast pro robotiku a pro vývoj protetických vizuálních zařízení.

Tým testoval umělé oko EC-Eye a ukázal, že dokáže zachytit snímky relativně jasně. Zařízení bylo umístěno před monitorem počítače, na němž se ukazovala jednotlivá velká písmena, a dokázalo je zobrazit natolik kvalitně, že bylo možné je přečíst. V experimentech se ukázalo, že umělé oko dokázalo rozlišit obrazy písmene „E“, „I“ a „Y“ zobrazené v nízkém rozlišení na monitoru počítače. Důvodem je, že prototyp se skládá z pouhých 100 pixelů, každý pixel se třemi nanovodiči. Vědci samozřejmě plánují rozlišení zvýšit. Biologické oči jsou pravděpodobně nejdůležitějším snímacím orgánem pro většinu zvířat na této planetě. Ve skutečnosti naše mozky získávají více než 80 % informací o našem okolí právě očima.

Experiment s umělým okem prováděný na univerzitě HUST. Zdroj: HUST.

Umělá oční bulva vytváří obrazy pomocí řady drobných senzorů, které simulují fotoreceptorové buňky detekující světlo v přirozeném oku. To vše je zabaleno do membrány z hliníku a wolframu, která je tvarována do polokoule napodobující sítnici. Zdroj: Nature, Daily Mail.

Vzorem pro zlepšení je zvířecí oko

Živočichové, včetně lidí, mají v očích celou řadu složitých struktur, které jim umožňují vidět. Zornice se smršťuje, aby omezila, kolik světla se dostane dovnitř, podobně jako clona v objektivu fotoaparátu. Většina zvířat má v oční sítnici jako fotoreceptory jak čípkyČípek – fotoreceptorická buňka v oční sítnici, která umožňuje barevné vidění. Vyskytuje se v určité podobě u většiny obratlovců, ačkoliv chybí například u paryb či u některých nočních obratlovců. Čípek je pojmenován podle tvaru této buňky., tak tyčinkyTyčinka – fotoreceptorická buňka v oční sítnici obratlovců, která obecně umožňuje vnímání kontrastů (černobílé mlhavé vidění při nízkém osvětlení). Tyčinka je pojmenována podle protáhlého až vláknitého tvaru.. Čípky umožňují vidět barvu a tyčinky jsou citlivé na nízkou hladinu světla, což umožňuje šedou stupnici mezi černou a bílou. Lidé a mnoho dalších zvířat mají tři typy čípků, z nichž každý absorbuje různé vlnové délky světla. Čípky pro krátkou, střední a dlouhou vlnovou délku umožňují rozsah vidění, který zahrnuje celé viditelné spektrum. To zahrnuje barvy mezi červenou a modrou, což jsou vlnové délky v rozmezí od 390 do 700 nm. Jiné druhy zvířat, včetně ptáků, mají čtyři čípky tří mutací, které umožňují tzv. tetrachromaciiTetrachromacie – využívání čtyř nezávislých kanálů pro přenos barevných informací nebo využívání čtyř typů kuželových buněk v oku. Organizmy s tetrachromací se nazývají tetrachromáty.. Vidí světlo i neobvykle krátkých vlnových délek, které už spadají do ultrafialového oboru. Tyto fotoreceptory jsou aktivovány elektromagnetickým zářením a při změně jejich tvaru vzniká elektrický signál. Elektrické signály jsou poté přenášeny do mozku optickým nervem. Signály z obou očí jsou mozkem spojeny v bodě zvaném optické chiasma, kde mozek porovnává dva obrazy. To je to, co umožňuje zvířatům vnímat hloubku obrazu, tedy jak daleko jsou předměty sledované v jejich zorném poli. Tuto neobvyklou vlastnost by mohly zvládat i bionické oči.

Závěr

Jedná o obrovské zlepšení oproti stávajícím návrhům bionických očí, nicméně umělé oko EC-Eye stále nedosahuje vlastností přirozeného lidského oka. Tým však říká, že tomu tak nemusí být navždy. Tato technologie má schopnost překonat lidské oko, pokud se využije hustší řada senzorů a každý z nich bude připojen k samostatnému nanodrátu. Tým z HKUST říká, že použití různých materiálů v různých částech EC-Eye by mohlo uživatelům poskytnout vyšší citlivost na infračervené záření – v podstatě noční vidění. Samozřejmě je před vědci ještě mnoho práce, ale EC-Eye vypadá velmi slibně.

V blízké budoucnosti bude zařízení nejprve vyzkoušeno u humanoidních robotů, jejichž schopnosti by měly překonat schopnosti lidské. U robotů je totiž aplikovatelnost mnohem jednodušší. Může se stát, že zlepšování rychlosti a stability reakce biomimetického oka potrvá několik let. Teprve poté bude možné vytvářet humanoidní roboty. Výzkum umělé inteligence pokračuje velmi rychle. Spojení se sofistikovaným elektrickým a mechanickým designem může vést k vytvoření superrobota s mimořádnými schopnostmi. Na jednu stranu je myšlenka vytvoření nového a mocného „druhu“ lákavá. Na druhou stranu, pokud získají superroboti sebeuvědomění, mohla by se umělá inteligence spolu s roboty stát naší konkurencí. Nová technologie může pomoci robotům i lidem. Má potenciál pozvednout naši vizuální schopnost na mnohem vyšší úroveň.

*  *  *

„Bát se superinteligentních robotů, které by si zotročili nebo by vyhubili lidstvo, je asi jako bát se přelidnění na Marsu. V zásadě je to možné, ale nyní irelevantní.“ Andrew Ng.

Odkazy