07 ديسمبر 2023 (أضواء Nanowerk) واجهت محاولات هندسة شبكية العين الاصطناعية بالقدرات البصرية للعين البشرية تحديات دائمة. على الرغم من أنها واعدة من الناحية النظرية، إلا أن تكرار البنية المتقنة وكفاءة الطاقة للرؤية الطبيعية لم يثبت سهولة في الممارسة العملية. لقد فشلت الجهود السابقة على هذا المنوال في تحقيق العديد من السمات الرئيسية. الآن، وبالاعتماد على الابتكارات الحديثة في المواد، أفاد باحثون من جامعة سونغكيونكوان في كوريا عن تقدم كبير في هذه المشكلة المستمرة من خلال تطويرهم لشبكية صناعية مرنة على شكل ألياف تظهر بشكل وثيق خصائص نظيرتها البيولوجية. ومن خلال الاستفادة من الإنجازات الحديثة في مجال الإلكترونيات اللينة والمواد العضوية غير العضوية، يمثل جهازهم الضوئي تقدمًا كبيرًا نحو رؤية اصطناعية متينة ومنخفضة الطاقة. يقوم الفريق بإبلاغ النتائج التي توصلوا إليها في المواد الوظيفية المتقدمة ("شبكية عين صناعية مستوحاة من الحياة تعتمد على بنية ليفية غير عضوية وعضوية متغايرة للرؤية العصبية"). يركز البحث الجديد على بناء جهاز متشابك اصطناعي يكرر شكل ووظائف الخلايا العصبية في شبكية العين البشرية. تبطن شبكية العين الجزء الداخلي من العين وتحتوي على خلايا مستقبلة للضوء تكتشف الضوء. تتصل هذه الخلايا بشكل متشابك مع الخلايا العصبية في الطبقات التي تقوم بمعالجة المحفزات البصرية مسبقًا وتحويلها إلى إشارات مشفرة. ثم تنقل الخلايا العقدية هذه الإشارات عبر ألياف عصبية طويلة مجمعة في العصب البصري لمزيد من التحليل في القشرة البصرية للدماغ. تتطلب محاكاة هذه العملية البيولوجية المعقدة مواد متقدمة وهندسة دقيقة.
الهياكل العصبية لشبكية العين والمشابك الاصطناعية الضوئية الليفية. أ) مخططات (ط) العين البشرية، (ب) هيكل ووظيفة الخلايا العصبية البصرية في شبكية العين، و (ج) المشبك البيولوجي. ب) مخططات (XNUMX) بنية صفيف FPAS، (XNUMX) هيكل ووظيفة كل طبقة في FPAS واحد، و(XNUMX) الترابط العضوي غير العضوي في FPAS. ج) رسم تخطيطي للهيكل المقارن ووظيفة شبكية العين البشرية وFPAS. تتوافق طبقات الكشف عن الضوء (ZnO NRs) مع الخلايا المستقبلة للضوء. طبقة النضوب، وهي طبقة وسيطة تتكون من ZnO NRS/PEDOT:PSS، تشبه الخلية ثنائية القطب، وهي خلية عصبية وسيطة. PEDOT:PSS، وهي طبقة الإخراج، تشبه الخلية العقدية، وهي خلية عصبية الإخراج. تتوافق أقطاب الذهب الموجودة على ألياف PU مع ألياف العصب البصري. تيار ما بعد المشبكي، IPSC، تتم قراءتها بواسطة FPAS، وتتم قراءة الإشارة بعد المشبكي بواسطة ألياف العصب البصري. (أعيد طبعها بإذن من Wiley-VCH Verlag) تضمنت الجهود السابقة في هندسة شبكية العين الاصطناعية هياكل مستوية صلبة غير مناسبة للتكامل مع الجزء الخلفي المنحني لمقلة العين. واجهت الأجهزة المرنة أيضًا قيودًا. على سبيل المثال، لا تزال الإلكترونيات اللينة السابقة تعتمد على معماريات ترانزستور ذات تأثير ميداني قياسي تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة أثناء التشغيل. ويتناقض هذا بشكل صارخ مع قدرة شبكية العين الفطرية على تحويل الضوء إلى إشارات عصبية دون مصدر طاقة خارجي. علاوة على ذلك، ظلت محاكاة الألياف المجمعة التي تشكل العصب البصري تمثل صعوبة مستمرة.
تعالج الشبكية الاصطناعية الجديدة هذه التحديات المستمرة من خلال تركيبة وتصميم مبتكرين. إنه يخلق بنية متغايرة رأسية عن طريق وضع طبقات من أكسيد الزنك النانوي المستجيب لأشعة الشمس على طبقة بوليمر موصلة، بولي (3,4،XNUMX-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) بوليسترين سلفونات (PEDOT:PSS). لا يتم وضع هذا الهيكل على سطح مستو، بل يلتف حول محيط ألياف البولي يوريثين القابلة للانحناء والمغطاة بأقطاب كهربائية ذهبية.
ومن اللافت للنظر أنه عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية، يمكن لهذا الجهاز على شكل ألياف تعديل موصليته الكهربائية لمحاكاة الوظائف الأساسية للخلايا العصبية والمشابك العصبية في شبكية العين دون الحاجة إلى أي طاقة خارجية. وهو يعمل عن طريق تعديل التقاط وإطلاق حاملات الشحنة المولدة بالفوتون عند التقاطع بين المواد. في الظلام، تمتص جزيئات الأكسجين على أسطح أعواد أكسيد الزنك النانوية، وتلتقط الإلكترونات الحرة. وهذا يجعل العصي النانوية مشحونة بشكل أكثر إيجابية، على غرار أيونات الصوديوم التي تدخل الخلايا البيولوجية المستقبلة للضوء. في المقابل، يؤدي التعرض للأشعة فوق البنفسجية إلى توليد أزواج من الثقوب الإلكترونية داخل القضبان النانوية، مما يؤدي بشكل أساسي إلى تحويل حالتها الكهربائية إلى حالة أقرب إلى حالة خلايا الشبكية المعرضة للضوء المرئي.
وأوضح فريق البحث كيف تسمح هذه الآلية لألياف شبكية العين الاصطناعية بإظهار مرونة قصيرة المدى وتقوية طويلة المدى مثل المشبك العصبي الطبيعي عند تعرضها لمحفزات بصرية مختلفة. يمكن لجهازهم الضوئي أيضًا أن يكرر الوظائف البيولوجية بما في ذلك تسهيل النبض المزدوج - الاستجابة المعززة للنبضات المتباعدة بشكل وثيق - واللدونة المعتمدة على التوقيت المضبوطة لمدة النبضة وكثافتها وتكرارها.
ومن اللافت للنظر أن ألياف الشبكية الاصطناعية حافظت على الخصائص المتشابكة الرئيسية حتى أثناء ثنيها بشدة، أو لفها في ملفات حول الأنابيب، أو نسجها في القماش. وتنشأ متانتها من المواد الناعمة والمتينة التي تتيح بناء المكونات الإلكترونية على منصة مرنة على شكل ألياف. تمهد الموثوقية الطريق لدمج شبكية العين الاصطناعية في التقنيات القابلة للارتداء.
ولتقييم القدرات الإدراكية التي يتيحها تصميم المشبك العصبي، قام الباحثون بتصنيع شبكة 3×3 من ألياف الشبكية الاصطناعية على ركيزة مرنة. ووجدوا أن المصفوفة يمكنها بنجاح اكتشاف وحفظ الأنماط المرئية المسقطة عليها باستخدام الاستنسل والأشعة فوق البنفسجية. تضاءلت قوة التشابكات العصبية المخزنة لهذه الصور تدريجيًا مع مرور الوقت في محاكاة حيوية مذهلة أخرى لعمليات الذاكرة البشرية. من خلال مراقبة التوصيل الكهربائي بعد التعرض للألياف الفردية، ظلت الحروف المطبوعة قابلة للاكتشاف لمدة تصل إلى دقيقة بعد الإضاءة الأولية.
وأظهر الباحثون أيضًا كيف يمكن لقراءة الاستجابات المتشابكة للمصفوفة أن تكون بمثابة بيانات مدخلة لبرامج التعلم الآلي لاستنتاج مسافة مصدر الضوء فوق البنفسجي بدقة. لم يستغل هذا العرض سوى جزء صغير من قوة المعالجة البصرية المحتملة الكامنة في شبكة الشبكية الاصطناعية. إنه يجسد كيف يمكن للجمع بين أجهزة الجيل التالي التي تحاكي الإدراك البيولوجي وخوارزميات الذكاء الاصطناعي أن يمكّن القدرات الحسية التحويلية.
وتواجه الشبكية الاصطناعية الجديدة بعض القيود في اعتمادها على الأشعة فوق البنفسجية بدلا من الأطوال الموجية المرئية التي يمكن اكتشافها بالعين البشرية. ومع ذلك، يمكن توسيع المفهوم الأساسي ليشمل الاستجابة المرئية من خلال دمج المواد النانوية المناسبة التي تمتص الفوتون مع تقنية أكسيد الزنك النانوية الأساسية.
والأكثر إلحاحًا، من خلال تكرار وظائف الخلايا العصبية الشبكية الطبيعية واتصالها ومتانتها بشكل وثيق في عامل شكل ألياف مرن، يوفر هذا التقدم منصة مناسبة تمامًا بشكل غير عادي لمزيد من تعزيز الرؤية الاصطناعية.
الهياكل العصبية لشبكية العين والمشابك الاصطناعية الضوئية الليفية. أ) مخططات (ط) العين البشرية، (ب) هيكل ووظيفة الخلايا العصبية البصرية في شبكية العين، و (ج) المشبك البيولوجي. ب) مخططات (XNUMX) بنية صفيف FPAS، (XNUMX) هيكل ووظيفة كل طبقة في FPAS واحد، و(XNUMX) الترابط العضوي غير العضوي في FPAS. ج) رسم تخطيطي للهيكل المقارن ووظيفة شبكية العين البشرية وFPAS. تتوافق طبقات الكشف عن الضوء (ZnO NRs) مع الخلايا المستقبلة للضوء. طبقة النضوب، وهي طبقة وسيطة تتكون من ZnO NRS/PEDOT:PSS، تشبه الخلية ثنائية القطب، وهي خلية عصبية وسيطة. PEDOT:PSS، وهي طبقة الإخراج، تشبه الخلية العقدية، وهي خلية عصبية الإخراج. تتوافق أقطاب الذهب الموجودة على ألياف PU مع ألياف العصب البصري. تيار ما بعد المشبكي، IPSC، تتم قراءتها بواسطة FPAS، وتتم قراءة الإشارة بعد المشبكي بواسطة ألياف العصب البصري. (أعيد طبعها بإذن من Wiley-VCH Verlag) تضمنت الجهود السابقة في هندسة شبكية العين الاصطناعية هياكل مستوية صلبة غير مناسبة للتكامل مع الجزء الخلفي المنحني لمقلة العين. واجهت الأجهزة المرنة أيضًا قيودًا. على سبيل المثال، لا تزال الإلكترونيات اللينة السابقة تعتمد على معماريات ترانزستور ذات تأثير ميداني قياسي تستهلك قدرًا كبيرًا من الطاقة أثناء التشغيل. ويتناقض هذا بشكل صارخ مع قدرة شبكية العين الفطرية على تحويل الضوء إلى إشارات عصبية دون مصدر طاقة خارجي. علاوة على ذلك، ظلت محاكاة الألياف المجمعة التي تشكل العصب البصري تمثل صعوبة مستمرة.
تعالج الشبكية الاصطناعية الجديدة هذه التحديات المستمرة من خلال تركيبة وتصميم مبتكرين. إنه يخلق بنية متغايرة رأسية عن طريق وضع طبقات من أكسيد الزنك النانوي المستجيب لأشعة الشمس على طبقة بوليمر موصلة، بولي (3,4،XNUMX-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) بوليسترين سلفونات (PEDOT:PSS). لا يتم وضع هذا الهيكل على سطح مستو، بل يلتف حول محيط ألياف البولي يوريثين القابلة للانحناء والمغطاة بأقطاب كهربائية ذهبية.
ومن اللافت للنظر أنه عند تعرضه للأشعة فوق البنفسجية، يمكن لهذا الجهاز على شكل ألياف تعديل موصليته الكهربائية لمحاكاة الوظائف الأساسية للخلايا العصبية والمشابك العصبية في شبكية العين دون الحاجة إلى أي طاقة خارجية. وهو يعمل عن طريق تعديل التقاط وإطلاق حاملات الشحنة المولدة بالفوتون عند التقاطع بين المواد. في الظلام، تمتص جزيئات الأكسجين على أسطح أعواد أكسيد الزنك النانوية، وتلتقط الإلكترونات الحرة. وهذا يجعل العصي النانوية مشحونة بشكل أكثر إيجابية، على غرار أيونات الصوديوم التي تدخل الخلايا البيولوجية المستقبلة للضوء. في المقابل، يؤدي التعرض للأشعة فوق البنفسجية إلى توليد أزواج من الثقوب الإلكترونية داخل القضبان النانوية، مما يؤدي بشكل أساسي إلى تحويل حالتها الكهربائية إلى حالة أقرب إلى حالة خلايا الشبكية المعرضة للضوء المرئي.
وأوضح فريق البحث كيف تسمح هذه الآلية لألياف شبكية العين الاصطناعية بإظهار مرونة قصيرة المدى وتقوية طويلة المدى مثل المشبك العصبي الطبيعي عند تعرضها لمحفزات بصرية مختلفة. يمكن لجهازهم الضوئي أيضًا أن يكرر الوظائف البيولوجية بما في ذلك تسهيل النبض المزدوج - الاستجابة المعززة للنبضات المتباعدة بشكل وثيق - واللدونة المعتمدة على التوقيت المضبوطة لمدة النبضة وكثافتها وتكرارها.
ومن اللافت للنظر أن ألياف الشبكية الاصطناعية حافظت على الخصائص المتشابكة الرئيسية حتى أثناء ثنيها بشدة، أو لفها في ملفات حول الأنابيب، أو نسجها في القماش. وتنشأ متانتها من المواد الناعمة والمتينة التي تتيح بناء المكونات الإلكترونية على منصة مرنة على شكل ألياف. تمهد الموثوقية الطريق لدمج شبكية العين الاصطناعية في التقنيات القابلة للارتداء.
ولتقييم القدرات الإدراكية التي يتيحها تصميم المشبك العصبي، قام الباحثون بتصنيع شبكة 3×3 من ألياف الشبكية الاصطناعية على ركيزة مرنة. ووجدوا أن المصفوفة يمكنها بنجاح اكتشاف وحفظ الأنماط المرئية المسقطة عليها باستخدام الاستنسل والأشعة فوق البنفسجية. تضاءلت قوة التشابكات العصبية المخزنة لهذه الصور تدريجيًا مع مرور الوقت في محاكاة حيوية مذهلة أخرى لعمليات الذاكرة البشرية. من خلال مراقبة التوصيل الكهربائي بعد التعرض للألياف الفردية، ظلت الحروف المطبوعة قابلة للاكتشاف لمدة تصل إلى دقيقة بعد الإضاءة الأولية.
وأظهر الباحثون أيضًا كيف يمكن لقراءة الاستجابات المتشابكة للمصفوفة أن تكون بمثابة بيانات مدخلة لبرامج التعلم الآلي لاستنتاج مسافة مصدر الضوء فوق البنفسجي بدقة. لم يستغل هذا العرض سوى جزء صغير من قوة المعالجة البصرية المحتملة الكامنة في شبكة الشبكية الاصطناعية. إنه يجسد كيف يمكن للجمع بين أجهزة الجيل التالي التي تحاكي الإدراك البيولوجي وخوارزميات الذكاء الاصطناعي أن يمكّن القدرات الحسية التحويلية.
وتواجه الشبكية الاصطناعية الجديدة بعض القيود في اعتمادها على الأشعة فوق البنفسجية بدلا من الأطوال الموجية المرئية التي يمكن اكتشافها بالعين البشرية. ومع ذلك، يمكن توسيع المفهوم الأساسي ليشمل الاستجابة المرئية من خلال دمج المواد النانوية المناسبة التي تمتص الفوتون مع تقنية أكسيد الزنك النانوية الأساسية.
والأكثر إلحاحًا، من خلال تكرار وظائف الخلايا العصبية الشبكية الطبيعية واتصالها ومتانتها بشكل وثيق في عامل شكل ألياف مرن، يوفر هذا التقدم منصة مناسبة تمامًا بشكل غير عادي لمزيد من تعزيز الرؤية الاصطناعية.
By
مايكل
بيرجر
- مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء:
جمعية النانو: دفع حدود التكنولوجيا,
تقنية النانو: المستقبل صغيرو
هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية
حقوق الطبع والنشر ©
نانويرك ذ
كن مؤلفًا ضيفًا في Spotlight! انضم إلى مجموعتنا الكبيرة والمتنامية من المساهمين الضيوف. هل نشرت للتو ورقة علمية أو لديك تطورات أخرى مثيرة لمشاركتها مع مجتمع تكنولوجيا النانو؟ إليك كيفية النشر على nanowerk.com.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64205.php
