Биологические сенсорные системы компактны и эффективно расходуют энергию. При попытке создания полупроводниковый аналог сетчатки, сталкиваются с большими трудностями: при толщине 0,5 мм она весит 0,5 г и потребляет 0,1 Вт.

Рис. 8.

Биологическая сетчатка.

Клетки сетчатки связаны сложной сетью возбуждающих (односторонние стрелки), подавляющих (линии с кружками на конце) и двунаправленных (двусторонние стрелки) сигнальных связей. Такая схема вырабатывает селективные ответы четырех типов ганглионарных клеток (внизу), которые составляют 90% волокон зрительного нерва, передающих зрительную информацию в мозг. Ганглионарные клетки включения "Вкл." (зеленые) и выключения "Выкл." (красные) возбуждаются, когда локальная интенсивность света выше или ниже, чем на окружающем участке. Ганглионарные клетки возрастания "Инк." (синие) и убывания "Дек." (желтые) генерируют импульсы, когда интенсивность света увеличивается или уменьшается.

Рис. 8.

Кремниевая сетчатка

В электронных моделях сетчатки аксоны и дендриты каждой клетки (сигнальные связи) заменяются металлическими проводниками, а синапсы - транзисторами. Перестановки такой конфигурации создают возбуждающие и запрещающие взаимодействия, которые имитируют связи между нейронами. Транзисторы и соединяющие их проводники располагаются на кремниевых чипах, различные участки которых играют роль различных слоев клеток. Большие зеленые площадки - фототранзисторы, преобразующие свет в электрические сигналы.

На ранней стадии развития глаза ганглионарные клетки сетчатки направляют свои аксоны в тектум, сенсорный центр среднего мозга. Аксоны сетчатки направляются с помощью следов химических соединений, выделяемых соседними клетками тектума, которые активируются одновременно; в результате нейроны, возбуждающиеся одновременно, связываются. В итоге в среднем мозге формируется карта пространственного расположения сенсоров сетчатки.

Чтобы смоделировать этот процесс, используют программируемые проводники для создания самоорганизующихся связей между клетками в чипе сетчатки Visio1 (вверху) и чипе искусственного тектума Neurotrope1 (внизу). Электрические выходные импульсы направляются от искусственных ганглионарных клеток к клеткам тектума через микросхему памяти (ОЗУ) (в середине). Чип сетчатки выдает адрес возбужденного нейрона, а чип тектума воспроизводит импульс возбуждения в соответствующем месте. В нашем примере искусственный тектум дает команду ОЗУ поменять местами адреса 1 и 2. В результате окончание аксона ганглионарной клетки 2 перемещается к клетке тектума 1, вытесняя аксон ганглионарной клетки 3. Аксоны реагируют на градиент электрического заряда, освобожденного возбужденной клеткой и помогающего перенаправить соединения.

После многократного возбуждения блоков соседствующих нейронов искусственной сетчатки (выделенные треугольники вверху слева) конечные точки аксонов клеток тектума, которые вначале были разбросаны (выделенные треугольники внизу слева), сближаются и образуют более однородные полосы (внизу справа).

Рис. 9.

Искусственные сетчатки "Аргус" (Argus) были успешно вживлены шестерым слепым пациентам, позволив им вновь видеть свет и обнаруживать движение крупных ярких объектов.

Рис. 10.

Эта система объединяет крошечный электронный глазной имплантат с видеокамерой, установленной на тёмных очках. Решётка из 16 электродов в имплантате соединяется с сетчаткой, воздействуя на фоторецепторы. Сигнал, подаваемый на них, проходит длинный путь от камеры: через обрабатывающий процессор, затем -- по радиоканалу к приёмнику, расположенному за ухом, и далее -- по проводам, протянутым под кожей, к глазному имплантату. Система может работать только с пациентами, у которых ослаблены и повреждены фоторецепторы сетчатки, но здоров глазной нерв.

Предпринимаются попытки воспроизводить нейронные структуры и их функции. Это называют морфингом (отображением) нервных связей на кремниевые электронные цепи. Таким образом создаются нейроморфные микрочипы путем морфинга сетчатки - нервной ткани толщиной 0,5 мм, покрывающей заднюю стенку глаза. Сетчатка состоит из пяти специализированных слоев нервных клеток и выполняет предварительную обработку визуальных изображений (образов), извлекая полезную информацию, не обращаясь к мозгу и не расходуя его ресурсы.

Кремниевая сетчатка воспринимает движения головы человека. Четыре типа кремниевых ганглионарных клеток на чипе Visio1 имитируют реальные клетки сетчатки и выполняют предварительную обработку визуальной информации. Одни клетки реагируют на темные области (красные), другие - на светлые (зеленые). Третий и четвертый наборы клеток следят за передними (желтые) и задними (синие) границами объектов. Черно-белые изображения, получаемые при декодировании, демонстрируют то, что слепой человек мог бы видеть с помощью нейроморфного имплантата сетчатки.

Сетчатка – важнейшая часть глаза. Она состоит из миллионов светочувствительных фоторецепторов, которые отвечают как за цветное, так и за сумеречное зрение. Повреждение фоторецепторов – палочек и колбочек – в результате различных заболеваний ведет к постепенному ухудшению зрения и полной его потере.

Очень часто заболевания (среди которых пигментная дистрофия сетчатки) приводят к разрушению лишь самих фоторецепторов, никак не затрагивая нейроны сетчатки. Исследователи уже предпринимали попытки справиться с такой слепотой, используя, например, бионический глаз. В сетчатку пациентов встраивали специальный микрочип, оборудованный электродами. Пациенты предлагалось пользоваться очками с видеокамерой, сигнал от которой передавался сначала к чипу, а потом – в головной мозг.

Ученые из Итальянского технологического института (Italian Institute of Technology) предложили принципиально иной подход, создав искусственную сетчатку, которую можно имплантировать в глаз пациента. «Протез сетчатки» состоит из нескольких слоев: проводящего полимерного материала, субстрата на основе шелка и слоя полупроводника. Именно он улавливает фотоны, поступающие через зрачок – это приводит к электростимуляции нейронов сетчатки и дальнейшей передаче сигнала в головной мозг.

Исследователи уже испытали свое изобретение на крысах, страдавших дегенерацией сетчатки. Спустя месяц после операции по установке имплантата ученые оценили зрачковый рефлекс у животных с искусственной сетчаткой, животных, не проходивших лечение и здоровых крыс.

Реакция на низкую освещенность (1 люкс), сопоставимую освещенностью во время полнолуния, у крыс с дегенерацией сетчатки и тех, кому установили имплантат, практически не отличалась. Однако на более яркий свет прооперированные животных реагировали практически также как здоровые.

Через 6 и 10 месяцев после операции тестирование повторили – зрение у всех животных стало хуже, так как крысы постарели, но эффект от установки искусственной сетчатки по-прежнему сохранялся. Авторы также показали, что под действием света активировалась первичная зрительная кора – именно та область головного мозга, которая отвечает за переработку зрительной информации.

Исследователи признают, что пока не до конца понимают как функционирует искусственная сетчатка – это еще предстоит выяснить. Также пока неясно, поможет ли новый протез людям – не всегда результаты, полученные на животных, удается повторить на пациентах. Однако Грация Пертиле (Grazia Pertile), одна из членов исследовательской группы, поясняет, что сетчатку могут начать испытывать на людях уже во второй половине этого, 2017, года, а первые результаты этих испытаний будут получены к началу 2018.

22/08/2018, 14:47 1.6k Просмотров 293 Нравится

credit: Natalia Hutanu / TUM
Ученые не просто так называют графен «суперматериалом» . Несмотря на то, что он состоит из всего лишь одного слоя атомов углерода, это очень сильный, супер гибкий и сверхлегкий материал, который также проводит электричество и биодеградирует. Недавно международная команда исследователей нашла способ использовать графен для создания искусственной сетчатки глаза. Сетчатка представляет собой слой светочувствительных клеток во внутренней оболочке глаза, ответственные за преобразование изображения (электромагнитное излучение видимой части спектра) в нервные импульсы, которые мозг может интерпретировать. И если этот тонкий слой клеток не функционирует, то человек просто ничего не видит.

В настоящее время миллионы людей по всему миру страдают от заболеваний сетчатки, которые лишают их зрения. Чтобы помочь им увидеть снова, ученые несколько лет назад разработали искусственную сетчатку. Однако все существующие решения сложно назвать идеальными, поскольку имплантаты жесткие и плоские, поэтому изображение, которое они производят, часто выглядит размытым и искаженным. И хотя имплантаты достаточно хрупкие, они также могут повредить близлежащие ткани глаза.

Поэтому графен со всеми его уникальными свойствами может стать ключом к созданию лучшей искусственной сетчатки. Используя сочетание графена, дисульфида молибдена (другой двумерный материал), золота, оксида алюминия и нитрата кремния, исследователи из Техасского университета и Сеульского национального университета создали искусственную сетчатку, которая функционирует намного лучше, чем все существующие модели. Основываясь на лабораторных исследованиях и тестах на животных, ученые определили, что их искусственная сетчатка из графена является биосовместимой и способной имитировать функции человеческого глаза. Кроме этого, она лучше соответствует размерам естественной сетчатки человеческого глаза.

Принес с собой новые технологии, которые помогли воплотить в жизнь ранее невозможные и необычные изобретения. К таким открытиям относятся:

• искусственная сетчатка глаза;
• проекционная клавиатура;
• электронная сигарета;
• мозговой интерфейс;
• использование цифровых камер в мобильных телефонах;
• цифровой синтезатор запахов;
• электронная бумага;
• портативный ядерный реактор;
• настольный 3D-сканер;
• искусственная хромосома;
• «умные» палочки для еды;
• нанороботы.

Поскольку пройдено еще меньше пятой части века, то, скорее всего, впереди всех ждут самые необычные изобретения человечества, разработанные и созданные в будущем. На сегодняшний день открытые новинки показывают, до чего дошел технический прогресс и какими неизведанными ранее возможностями может воспользоваться человек.

Рассмотрим подробнее некоторые необычные изобретения человека, созданные в начале двадцать первого века.

Искусственная сетчатка глаза

Данное открытие принадлежит японским ученым. Произведенная сетчатка представляет собой алюминиевую матрицу, где используются полупроводниковые элементы из кремния. Разрешение составляет 100 пикселей.

Сетчатка будет выполнять свои функции, если она была установлена в комплекте со специальными очками и небольшим компьютером. Очки со встроенной видеокамерой используются для получения и передачи изображения компьютеру, где и происходит обработка. Камера в очках преобразовывает свет в порции электронных импульсов. После обработки изображения компьютер делит его пополам и передает на левый и на правый глаз, в инфракрасные излучатели, расположенные на обратной стороне линз очков. Очки излучают короткие импульсы инфракрасного излучения, которое активирует фотодатчики на сетчатке глаза и заставляет их передавать электрические импульсы, кодирующие картинку, в оптические нейроны.

В будущем планируется, что такая сетчатка сможет вернуть зрение незрячему человеку и поможет видеть более мелкие предметы.

Позже японские ученые смогли вырастить сетчатку глаза из стволовых клеток мышей, ее тестирование еще не закончено.

Проекционная клавиатура

С течением времени появляются все новые и новые изобретения. присутствуют в жизни человека, одна из них - это проекционная клавиатура.

С ее помощью появляется возможность проектировать клавиши на поверхность, где и происходит их нажатие. Видеопроектор, который проектирует клавиатуру, имеет датчик, способный отслеживать движения пальцев, после чего высчитывает координаты нажатых клавиш и на дисплей выводит правильно набранный текст. Однако такая клавиатура имеет и недостатки, ее нельзя использовать на природе.

Электронная сигарета

Это открытие сделал китайский ученый, после того как его отец умер от рака легких. Никотиновая зависимость - одна из самых сильных в мире. Чего только ни делает человек, бросающий курить. Он старается заменить эту привычку чем-то другим, например, клеит покупает жвачки, пытается найти альтернативу курению.

Электронная сигарета - это устройство, с помощью которого имитируется процесс курения. При использовании такой новинки человек не отказывается от своей привычки, не ищет замен, а обычно проводит время. Однако курильщик не портит свои лёгкие ядовитой смолой и продуктами горения, поскольку они отсутствуют в данном виде устройства. Таким образом, человек, курящий электронную сигарету, может избавиться от никотиновой зависимости.

Мозговой интерфейс

Необычные изобретения 21 века довольно разнообразны, и одно из них - мозговой интерфейс.

Пример управления предметами мыслью был продемонстрирован японской компанией. Человек силой мысли заставлял переключаться выключатель, установленный на масштабной железной дороги.

Принцип действия: в инфракрасном спектре происходит просвечивание и съемка коры головного мозга. При проведении такой процедуры хорошо видно прохождение по сосудам гемоглобина как с кислородом, так и без, при этом виден и объем крови в различных участках мозга. Такие изменения машина переводит в сигналы напряжения, которые руководят внешними устройствами. Таким образом и происходит управление переключателем поезда.

В проекте планируется достичь более сложного дешифрования изменений в работе мозга человека. Получение сигналов выполнения будет вершиной развития человеко-машинного интерфейса.

Цифровой синтезатор запахов

Сегодня никого уже не удивишь 3D-звуком или 3D-видео. На сегодняшний день это достаточно популярные изобретения. Необычные технологии вошли в нашу жизнь в начале 21-го века. Французская компания представляет свое решение цифрового измерения запахов. Появление такой новинки принесло разнообразие в «цифровую жизнь» общества. Многообразие запахов будет синтезироваться из картриджей. Это добавит изюминки к просмотру фильмов и видеоигр.

Электронная бумага

Представляет собой то же, что и электронные чернила. Информация отображается на особом дисплее. В электронных книгах используется электронная бумага, также она применяется и в других сферах. Электронные чернила в отраженном свете могут отображать графику и текст достаточно долго, не затрачивая при этом много энергии.

Преимущества такой бумаги:

• экономия энергии;
• данный вид чтения не нагружает глаза, как обычная бумага, а значит, не портит зрение человека.

Электронная бумага может отражать видеоролик с частотой 6 кадров в секунду, передает 16 оттенков серого цвета.

Продолжаются работы по совершенствованию данного изобретения и увеличения скорости показа.

Настольный 3D-сканер

Принцип работы такого устройства состоит в использовании двух камер, изображение с которых формируется и сравнивается. С помощью такого сканера создаются точные трехмерные модели необходимых объектов. Отражаются они с максимальной точностью различных деталей. Информация передается в математическом, компьютерном и цифровом виде, несет данные о размерах, форме, цвете сканированного элемента.

С помощью компьютера осуществляется управление настройками изображения. Все полученные данные анализируются, и изображение появляется на экране уже в трехмерном пространстве.

«Умные» китайские палочки для еды

Одна из в двадцать первом веке презентовала вниманию аудитории «умные» палочки для еды. Суть данного изобретения в том, что при погружении палочек в пищу на экране гаджета, на котором установлено необходимое приложение, отражается информация о качестве пищи. То есть, опустив, например, палочки в масло, вы на экране увидите сообщение «хорошее» или «плохое», исходя из качества проверяемого продукта.

К выпуску такого изобретения ученых подтолкнула ситуация с продуктами в Китае. В стране выявлено много заболеваний именно из-за употребления в пищу некачественной еды. Часто продукты готовят на одном и том же масле, что приводит к появлению в нем токсических веществ.

«Умные» палочки могут показать:

• свежесть масла;
• уровень pH;
• температуру жидкости;
• количество калорий во фруктах.

Производители собираются расширять возможности палочек, чтобы с их помощью можно было определять большее количество показателей принимаемой пищи. еще не было выпущено в доступную продажу, поскольку пока не ведется массовое производство.

Изобретение: нанороботы

На сегодняшний день многие ученые стремятся создать нанороботов - машины, которые смогут работать на атомном и молекулярном уровнях. Такое изобретение даст возможность производить молекулярные материалы. Можно будет, например, делать кислород или воду. Также в хозяйственной сфере они смогут создавать продукты питания, топливо и участвовать в других процессах, обеспечивающих жизнедеятельность человека. Такие роботы смогут сами себя создавать.

Нанотехнологии являются символом будущего и одним из векторов развития цивилизации. Их использование возможно практически в любых сферах человеческой жизни.

В медицине появление нанороботов приведет к полному излечению организма человека. Их можно будет запустить в тело. Правильно запрограммированные машины начнут уничтожать вирусы и другие вредные вещества, находящиеся внутри организма. С помощью нанотехнологий можно придать красивый и здоровый вид коже человека.

В экологии электронные машины помогут прекратить загрязнение планеты. С их помощью можно будет проводить очищение воды, воздуха и других жизненно важных источников здоровья человека.

Такие необычные изобретения человечества могут помочь в решении сложных задач, однако на данный момент разработки находятся на научно-исследовательской стадии.

На сегодняшний день созданы некоторые компоненты будущих молекулярных машин, проводятся различные конференции, посвященные вопросу создания нанороботов.

Существуют примитивные прототипы будущих машин. В 2010 году впервые были показаны молекулярные машины на основе ДНК, которые могут перемещаться в пространстве.

Мир нанотехнологий не стоит на месте, и возможно, 21-й век еще будет наименован веком, в котором появятся самые необычные изобретения.

Виртуальный мир

Новый век принес с собой виртуальное общение, знакомства, игры. Человек строит сам свой кругозор, создает свои виртуальные страницы во Всемирных социальных сетях. Поэтому можно сказать, что необычные изобретения, своими руками созданные, - это социальные сети.

Развитие технологий приводит к уменьшению реальных встреч и больше склоняет к виртуальному общению.

Новые виртуальные изобретения, необычные функции которых помогают адаптации человека в виртуальном социуме, - это:

Заключение

Изобретения бывают глупыми и умными, полезными и не очень. Однако с каждым годом необычные изобретения мира совершенствуются, на фоне одних развиваются другие. Человечество стремится изобрести что-нибудь необыкновенное, что удивит всех. При этом новинка должна приносить в жизнь людей удобство, облегчать в чем-то жизнь человеку.

21-й век еще будет приносить новые изобретения, необычные возможности, благодаря которым человечество сможет осваивать не изведанные ранее пространства и приобретать новые знания.

Исследователи медицинской школы Стэндфордского университета, работающие под руководством профессора Даниэля Паланкера (Daniel Palanker), разработали беспроводной сетчаточный имплантат, который в будущем позволит восстанавливать зрение в пять лучше, чем существующие устройства. Результаты исследований на крысах свидетельствуют о способности нового устройства обеспечивать функциональное зрение пациентам с дегенеративными заболеваниями сетчатки, такими как пигментная дистрофия сетчатки и макулярная дегенерация.

Дегенеративные заболевания сетчатки приводят к разрушению фоторецепторов – так называемых палочек и колбочек, – тогда как остальные части глаза, как правило, сохраняются в хорошем состоянии. Новый имплантат использует электрическую возбудимость одной из популяций сетчаточных нейронов, известных как биполярные клетки. Эти клетки обрабатывают поступающие с фоторецепторов сигналы до того, как они достигают ганглионарных клеток, отправляющих зрительную информацию в головной мозг. Стимулируя биполярные клетки, имплантат пользуется важными естественными свойствами нейронной системы сетчатки, что обеспечивает получение более детализованных изображений, по сравнению с устройствами, не воздействующими на эти клетки.

Изготавливаемый из оксида кремния имплантат состоит из шестиугольных фотоэлектрических пикселей, конвертирующих световое излучение, испускаемое надеваемыми на глаза пациента специальными очками, в электрический ток. Эти электрические импульсы стимулируют биполярные клетки сетчатки, запуская достигающий головного мозга нейронный каскад.

Читать также:

Как выглядят магнитные волны?

Чип твердотельного компаса, передающий сигналы в области коры головного мозга слепой крысы, отвечающие за обработку визуальной информации, позволил животному «видеть» геомагнитные поля.

Беспроводной протез сетчатки

Биотехнологи из Стэнфордского университета успешно пересадили в глаза крыс протезы сетчатки, которые обходятся без источника питания и требуют минимального хирургического вмешательства для имплантации.

Электронные сетчатки совершенствуются

Беспроводная бионическая сетчатка Alpha IMS работает без внешней камеры, обеспечивая свободное движение глаз, и подаёт сигналы от 1500 пикселей на близлежащие нейронные слои сетчатки и на зрительный нерв, полностью имитируя работу клеток-фоторецепторов.

Первая электронная сетчатка выходит на рынок США

FDA одобрило первую искусственную сетчатку – имплантируемое устройство с некоторыми функциями сетчатки, которое поможет людям, потерявшим зрение вследствие генетического заболевания – пигментного ретинита.

Оптоэлектронная сетчатка без батареек

Для создания искусственной сетчатки ученые решили использовать фотоэлементы, активируемые инфракрасным лучом, что позволило совместить передачу визуальной информации с передачей энергии и упростить устройство имплантата.