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.

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.

МОСКВА, 13 мая - РИА Новости. Американские биотехнологи создали прототип искусственной сетчатки глаза, который не требует системы питания, и работает на энергии инфракрасного излучения, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics.

На сегодняшний день ученые во всем мире разрабатывают несколько видов имплантатов, в теории способных вернуть зрение, утерянное в результате дегенеративных болезней или происшествий. В одних случаях биологи экспериментируют со стволовыми клетками или отдельными клетками сетчатки, в других - физики и биотехнологи пытаются приспособить различные электронные приборы к работе с мозгом человека и животных. Но до сих пор ни в одном исследовании не было достигнуто существенных успехов.

Кибер-глаз

Группа ученых под руководством Джеймса Лаудина (James Loudin) из Стэнфордского университета (США) разработала новый тип электронной сетчатки глаза, пригодной для получения изображения высокой четкости и не требующей внешнего источника питания - основного препятствия на пути развития подобных технологий.

"Наше изобретение работает примерно так же, как солнечные батареи на крыше дома, преобразуя свет в электрические импульсы. Однако в нашем случае электричество питает не "холодильник", а направляется в сетчатку в качестве сигнала", - пояснил один из участников группы Дэниел Паланкер (Daniel Palanker).

Искусственная сетчатка глаза Лаудина и его коллег представляет собой набор из множества микроскопических единичных кремниевых пластинок, объединяющих в себе светочувствительный элемент, генератор электричества, а также некоторые другие элементы. Для работы этой сетчатки необходимы специальные очки со встроенной видеокамерой и карманный компьютер, обрабатывающий изображение.

Данное устройство работает следующим образом: камера в очках непрерывно преобразует свет в порции электронных импульсов. Каждый "кадр" обрабатывается на компьютере, делится на две половинки - для правого и левого глаза и передается в инфракрасные излучатели на обратной стороне линз очков. Очки испускают короткие импульсы инфракрасного излучения, которое активирует фотодатчики на сетчатке глаза и заставляет их передавать электрические импульсы, кодирующие картинку, в оптические нейроны.

"Современные имплантаты очень громоздкие, и операции по вставке всех необходимых компонентов в глаз невероятно сложны. В нашем случае хирург должен сделать лишь один небольшой надрез на сетчатке и погрузить под нее фоточувствительный компонент устройства", - продолжил Паланкер.

Инфракрасное прозрение

По словам ученых, использование инфракрасного света для передачи информации обладает двумя ключевыми преимуществами. Во-первых, он позволяет наращивать мощность импульса до очень высоких значений, не вызывая боль в живых клетках сетчатки, так как светочувствительные клетки не реагируют на инфракрасное излучение. Во-вторых, высокая мощность излучения улучшает четкость изображения в тех случаях, когда нейроны под сетчаткой сильно повреждены или слабо реагируют на электрические импульсы.

Ученые проверили работу своего изобретения на сетчатках глаза и нервной ткани, взятых у зрячих и у слепых крыс. В этом эксперименте они прикрепляли фотоэлементы к небольшим кусочкам сетчатки, подключали электроды к прилегающим к ней нейронам и следили, начинают ли они испускать импульсы при облучении видимым и инфракрасным светом.

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.

• Создана искусственная сетчатка, которая может вернуть нормальное зрение даже абсолютно слепым людям

Ученые-исследователи из Weill Cornell Medical College смогли расшифровать код нейронной сети сетчатки мыши. Благодаря этому увенчалась успехом попытка создания искусственного глаза, который позволил восстановить зрение слепым мышам. Кроме того, подобным образом уже был "взломан" код сетчатки обезьян, а она практически идентична человеческой сетчатке. Авторы открытия надеются, что в ближайшее время им удастся разработать и протестировать устройство, при помощи которого слепым людям можно будет восстановить зрение.

Это открытие позволит слепым людям видеть не только контуры предметов, но вернет абсолютно нормальное зрение с возможностью видения черт лица собеседника. На данном этапе исследования подопытные животные уже могут различать движущиеся предметы.

Сейчас ученые работают над созданием небольшого устройства по типу обруча или очков, при помощи которого собираемый свет будет преобразовываться в электронный код, который человеческий мозг трансформирует в изображение.

Заболевания сетчатки являются одной из самых частых причин слепоты, однако даже в случае гибели всех фоторецепторов, нервный выходной путь сетчатки, как правило, остается цел. Современные протезы уже используют этот факт: в глаз слепого пациента имплантируются электроды, стимулирующие ганглиозные нервные клетки. Однако такая технология дает лишь расплывчатую картинку, на которой можно рассмотреть лишь общие контуры предметов.

В качестве альтернативного способа стимулирования клеток ученые также проверяют использование светочувствительных белков. Эти белки вводятся в сетчатку при помощи генной терапии. Попав в глаз, белки могут стимулировать сразу многие ганглиозные клетки.

В любом случае, для того, чтобы была сформирована четкая картинка, необходимо знать код сетчатки, тот набор уравнений, который использует природа для превращения света в электрические импульсы, понятные мозгу. Ученые уже пытались найти его для простых объектов, таких как, например, геометрические фигуры. Невролог доктор Шейла Ниренберг предположила, что код должен быть обобщенный и работать как с фигурами, так и с пейзажами или человеческими лицами. Во ходе работы над кодом Ниренберг поняла, что это можно использовать для протезирования. В результате был проведен простой эксперимент, в ходе которого мини-проектор, управляемый расшифрованным кодом, посылал световые импульсы в светочувствительные белки, встроенные в ганглиозные клетки мышей с помощью генных манипуляций.

Тщательный контроль серии экспериментов показал, что качество зрения даже у собранного на скорую руку в лаборатории протеза практически совпадает с аналогичным показателем нормальной здоровой сетчатки мышей.

Новый подход в лечении нарушения зрения дает надежду миллионам человек во всем мире, которые страдают от слепоты из-за заболеваний сетчатки. Лекарственная терапия помогает лишь немногим из них, и совершенный протез будет крайне востребован.

По материалам http://www.cnews.ru