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Novo olho artificial imita a curva natural da retina

Prótese ocular consegue enxergar mais comprimentos de onda e processar luz mais rápido do que um olho humano

Renderização de artista do novo olho artificial. Créditos: Leilei Gu e Fantastic Color Animation Technology Co., Ltd


O olho humano é um instrumento sofisticado: as imagens entram através das lentes curvas na frente da esfera e atravessam seu líquido vítreo e pegajoso antes de atingir a retina sensível a luz
— que envia o sinal para o nervo óptico que carrega a imagem ao cérebro. Engenheiros tentaram replicar essa estrutura por cerca de uma década. Agora, um novo olho artificial imita com sucesso a forma desse instrumento esférico natural. Os pesquisadores esperam que essa conquista leve ao desenvolvimento da visão robótica e aparelhos de próteses. Uma pesquisa sobre o desenvolvimento foi publicada na quarta-feira (20/05/2020) na revista Nature.

Os pesquisadores se basearam no fato de que a perovskita (ou óxido de titânio), um material condutor e sensível à luz utilizado em células solares, pode ser utilizado para criar nanofios extremamente pequenos, com milhares de milímetros de comprimento. Esses fios imitam a estrutura comprida e fina das células  fotorreceptoras do olho, diz o co-autor do estudo, Zhiyong Fan, que é engenheiro elétrico e da computação da Universidade de Hong Kong de Ciência e Tecnologia. “Mas a dificuldade é: como podemos fabricar uma rede de nanofios em um substrato hemisférico para formar uma retina hemisférica?”questiona. Construir uma retina que seja curva é importante, pois a luz só consegue chegar até ela após passar por lentes curvas. “Quando tentamos visualizar algo, a imagem que se forma após as lentes é, na verdade, curva”, diz Hongrui Jian, engenheiro elétrico da Universidade de Wisconsin-Madison que revisou a nova pesquisa, mas não estava diretamente envolvido no trabalho. “Se a pessoa possuir um sensor achatado, então a imagem não será focada com precisão”. A retina é curva, mas os sensores eletrônicos de luz são rígidos e achatados.


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Olho Biônico

Para resolver o problema, Fan e seus colegas deformaram folhas leves de alumínio em um formato hemisférico. Depois, trataram o metal com um processo eletroquímico que o converteu em um isolador chamado óxido de alumínio. Esse processo também deixou o material estudado com poros em nanoescala. Como resultado, os pesquisadores obtiveram um hemisfério curvo que possuía uma grande quantidade de furos agrupados de forma conveniente, através dos  quais poderiam passar os nanofios de perovskita. “Há uma grande quantidade de nanofios, sua densidade é muito alta”, Jiang diz. “É similar do que à densidade de fotorreceptores nos olhos humanos. Na verdade, é até maior.” 

   Depois de terem conseguido construir uma retina curva, os cientistas a inseriram em um olho artificial que incluía as lentes curvas na frente. Inspirados no líquido especializado que existe no olho real, a equipe preencheu o dispositivo com sua própria versão:  um líquido iônico salgado, carregado com partículas que podem se mover. “Um componente interno muito importante  é a cavidade que nós enchemos [com] líquidos iônicos”, diz Fan. “Uma vez que esses nanofios trocam cargas, a carga será transmitida através de  alguns íons”. Essa troca elétrica permite que os fios de perovskita executem sua função eletroquímica de detectar luz e enviar o sinal para aparelhos eletrônicos externos de processamento da imagem.

Quando a equipe testou o olho artificial, ele conseguiu processar padrões de luz em um período de 19 milisegundos — metade do tempo que o olho humano precisa. E produziu imagens que possuíam um grande contraste e beiradas mais claras daquelas geradas por um sensor achatado de imagem, com um número similar de pixels. Em alguns aspectos, o olho artificial melhorou a visão natural: poderia captar um maior cumprimento de onda e não possuía um ponto cego. 

Fan planeja trabalhar com pesquisadores de medicina para construir próteses baseados no design de sua equipe.  Contudo, fazer isso requer muito mais desenvolvimento. O olho artificial é “realmente elegante; parece um trabalho incrível”, diz Jessy Dorn, vice-presidente de assuntos clínicos e científicos na companhia de biomedicina Second Sight, que não estava envolvida na pesquisa. “Mas [os autores do estudo] não falaram sobre como poderia se conectar ao sistema visual humano”. Ela trabalha em aparelhos para tratamento decegueira, incluindo uma prótese de retina chamada Argus II, e pontua que desenvolver uma interface eletrônica é apenas o primeiro passo. Tal aparelho precisa interagir com o cérebro humano para produzir imagens. “Esse é um dos grandes desafios: como conseguir qualquer tipo de interface de alta resolução com segurança e implantado com confiança, para  então trabalhar com o sistema visual humano”.

Também é preciso lidar com o fato de que existem tipos diferentes de cegueira, e olhos perfeitos nem sempre produzem uma visão perfeita. Por exemplo, o desenvolvimento do cérebro durante a infância é crucial para o processo visual — então uma pessoa que nasce cega pode nunca vir a possuir  a “fiação”  cerebral necessária para enxergar  através de olhos prostéticos numa fase posterior da vida.  Dorn nota que os recipientes do implante Argus II são todos adultos que perderam sua visão muito depois. E mesmo eles possuem diferentes níveis de sucesso: alguns ganham somente a habilidade de diferenciar luz e sombra, enquanto outros conseguem processar formas. Ainda assim, ela diz que qualquer conexão visual ao ambiente pode resultar em mais independência e maior liberdade de movimento. E próteses não são as únicas aplicações válidas para olhos artificiais: tais aparelhos podem ter aplicações imediatas na visão robótica. 

“Replicar os olhos naturais é um sonho para muitos engenheiros ópticos”, diz Jiang. Ele explica que alguns pesquisadores buscam imitar os olhos de mamíferos, enquanto outros se inspiram nos  insetos. Esse campo está finalmente tendo avanços reais, ele acrescenta. “Eu creio que em cerca de 10 anos, nós veremos algumas aplicações práticas e tangíveis desses olhos biônicos”. 

Sophie Bushwick

Publicado em 23/05/2020