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(Foco Nanowerk) Los intentos de construir retinas artificiales con las capacidades visuales del ojo humano han enfrentado desafíos constantes. Aunque teóricamente es prometedor, replicar la estructura sofisticada y la eficiencia energética de la visión natural no ha resultado fácil en la práctica. Los esfuerzos anteriores en esta dirección han fracasado en varios aspectos importantes.
Ahora, basándose en recientes innovaciones materiales, investigadores de la Universidad Sungkyunkwan en Corea informan de avances significativos en la solución de este problema actual con el desarrollo de una retina artificial fibrosa y flexible que comparte muchas de las propiedades de su análogo biológico. Aprovechando los recientes avances en electrónica blanda y materiales orgánicos-inorgánicos, su dispositivo fotónico marca un gran paso adelante hacia una visión artificial duradera y de baja potencia.
El equipo informa sus resultados en Materiales funcionales avanzados (“Retinas artificiales bioinspiradas basadas en una heteroestructura fibrosa inorgánica-orgánica para la visión neuromórfica”).
La nueva investigación se centra en la construcción de un dispositivo sináptico artificial que replica la forma y funciones de las neuronas de la retina humana. La retina recubre el interior del ojo y contiene células fotorreceptoras que detectan la luz. Estas células se conectan sinápticamente con neuronas en capas que preprocesan los estímulos visuales en señales codificadas. Luego, las células ganglionares transmiten estas señales a través de largas fibras nerviosas agrupadas en el nervio óptico para su posterior análisis en la corteza visual del cerebro. Imitar este complicado proceso biológico requiere materiales avanzados y una ingeniería cuidadosa.
Los intentos anteriores de desarrollar retinas artificiales implicaban estructuras planas y rígidas que no eran adecuadas para su integración en el interior posterior curvado del globo ocular. Incluso los dispositivos flexibles tenían sus límites. Por ejemplo, los sistemas electrónicos blandos anteriores se basaban en arquitecturas estándar de transistores de efecto de campo, que consumen mucha energía durante el funcionamiento. Esto contrastaba marcadamente con la capacidad innata de la retina para convertir la luz en señales neuronales sin una fuente de energía externa. Además, imitar el haz de fibras que forman el nervio óptico sigue siendo una dificultad persistente.
La nueva retina artificial aborda estos desafíos actuales a través de una composición y un diseño innovadores. Crea una heteroestructura vertical colocando una matriz de nanobarras de óxido de zinc que responde a la luz solar sobre una capa de polímero conductor, poli(3,4-etilendioxitiofeno)poliestireno sulfonato (PEDOT:PSS). En lugar de asentarse sobre una superficie plana, esta estructura envuelve el perímetro de una fibra de poliuretano flexible recubierta con electrodos de oro.
Sorprendentemente, este dispositivo con forma de fibra puede modular su conductividad eléctrica cuando se expone a la luz ultravioleta para emular funciones esenciales de las neuronas y sinapsis de la retina sin la necesidad de una fuente de alimentación externa. Funciona optimizando la captura y liberación de portadores de carga generados por fotones en la unión entre materiales. En la oscuridad, las moléculas de oxígeno se absorben en las superficies de las nanobarras de óxido de zinc y capturan electrones libres. Esto hace que las nanobarras tengan una carga más positiva, análogas a los iones de sodio que ingresan a las células fotorreceptoras biológicas. Por el contrario, la irradiación UV crea pares de huecos de electrones dentro de los nanobarros, esencialmente acercando su estado eléctrico al de las células de la retina expuestas a la luz visible.
El equipo de investigación demostró cómo este mecanismo permite que su fibra retiniana artificial exhiba plasticidad a corto plazo y potenciación a largo plazo como una sinapsis natural cuando se expone a diferentes estímulos ópticos. Su dispositivo fotónico también podría recrear funciones biológicas, incluida la facilitación de pulsos emparejados (la respuesta mejorada a pulsos estrechamente espaciados) y la plasticidad dependiente del tiempo de pico sintonizada con la duración, intensidad y frecuencia del pulso.
Sorprendentemente, la fibra retiniana artificial conservó importantes propiedades sinápticas incluso cuando fue severamente doblada, retorcida en tubos o tejida en tela. Su robustez proviene de los materiales suaves y duraderos que permiten construir componentes electrónicos sobre una plataforma fibrosa y flexible. La fiabilidad allana el camino para la integración de la retina artificial en tecnologías portátiles.
Para evaluar las capacidades de percepción habilitadas por su diseño de sinapsis, los investigadores fabricaron una red de 3×3 de fibras retinianas artificiales sobre un sustrato flexible. Descubrieron que la matriz podía reconocer y almacenar con éxito patrones visuales proyectados en ella utilizando plantillas y luz ultravioleta. La fuerza sináptica almacenada de estas imágenes disminuyó gradualmente con el tiempo en otro notable biomimetismo de los procesos de la memoria humana. Al monitorear la conductividad eléctrica de las fibras individuales después de la exposición, las letras impresas permanecieron reconocibles hasta un minuto después de la primera iluminación.
Los investigadores también demostraron cómo la lectura de las respuestas sinápticas de la matriz podría servir como datos de entrada para que el software de aprendizaje automático infiera con precisión la distancia de una fuente de luz ultravioleta. Esta demostración utilizó sólo una pequeña fracción del potencial de procesamiento visual inherente a la red de retina artificial. Ilustra cómo la combinación de hardware de próxima generación que imita la percepción biológica con algoritmos de inteligencia artificial puede permitir capacidades sensoriales transformadoras.
La nueva retina artificial tiene algunas limitaciones porque depende de la luz ultravioleta en lugar de longitudes de onda visibles que el ojo humano puede detectar. Sin embargo, el concepto básico podría ampliarse a la capacidad de respuesta visible integrando nanomateriales absorbentes de fotones adecuados en la tecnología básica de nanobarras de óxido de zinc.
Más importante aún, al replicar con precisión las funciones, la conectividad y la durabilidad de las neuronas naturales de la retina en un factor de forma de fibra flexible, este avance proporciona una plataforma excepcionalmente adecuada para mejorar aún más la visión sintética. La optimización de retinas artificiales bioinspiradas utilizando principios y materiales similares pronto podría permitir el aumento visual portátil, sensores robóticos avanzados o incluso tecnologías protésicas.
De
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry: Nano-Society: Pushing the Boundaries of Technology, Nanotechnology: The Future is Tiny y Nanoengineering: The Skills and Tools Making Technology Invisible Copyright ©
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