07 december 2023 (Nanowerk-schijnwerper) Pogingen om kunstmatige netvliezen te ontwikkelen met de visuele mogelijkheden van het menselijk oog zijn met blijvende uitdagingen geconfronteerd. Hoewel het in theorie veelbelovend is, is het nabootsen van de uitgebreide structuur en energie-efficiëntie van natuurlijk zicht in de praktijk niet eenvoudig gebleken. Eerdere inspanningen op dit gebied zijn op een aantal belangrijke punten tekortgeschoten. Op basis van recente materiaalinnovaties melden onderzoekers van de Sungkyunkwan Universiteit in Korea substantiële vooruitgang op dit aanhoudende probleem met hun ontwikkeling van een flexibel, vezelvormig kunstmatig netvlies dat de eigenschappen vertoont van zijn biologische analoog. Door gebruik te maken van recente doorbraken op het gebied van zachte elektronica en organisch-anorganische materialen, markeert hun fotonische apparaat een grote vooruitgang in de richting van duurzaam kunstmatig zicht met laag vermogen. Het team rapporteert hun bevindingen in Geavanceerde functionele materialen (“Bio-geïnspireerde kunstmatige netvliezen gebaseerd op een vezelachtige anorganische-organische heterostructuur voor neuromorfe visie”). Het nieuwe onderzoek concentreert zich op de constructie van een kunstmatig synaptisch apparaat dat de vorm en functies van neuronen in het menselijk netvlies repliceert. Het netvlies bekleedt de binnenkant van het oog en bevat fotoreceptorcellen die licht detecteren. Deze cellen verbinden synaptisch met stroomafwaartse neuronen in lagen die visuele stimuli voorverwerken tot gecodeerde signalen. Ganglioncellen zenden deze signalen vervolgens uit via lange zenuwvezels die in de oogzenuw zijn gebundeld voor verdere analyse in de visuele cortex van de hersenen. Het nabootsen van dit ingewikkelde biologische proces vereist geavanceerde materialen en zorgvuldige engineering.
Neuronale structuren van netvliezen en vezelachtige fotonische kunstmatige synapsen. a) Schema's van (i) een menselijk oog, (ii) de structuur en functie van optische neuronen in een netvlies, en (iii) een biologische synaps. b) Schema's van (i) de structuur van een FPAS-array, (ii) de structuur en functie van elke laag in een enkele FPAS, en (iii) een organisch-anorganische heterojunctie in een FPAS. c) Een schema van de vergelijkende structuur en functie van het menselijk netvlies en FPAS. De lichtdetectielagen (ZnO NR's) komen overeen met fotoreceptorcellen. De depletielaag, een tussenlaag gevormd door een ZnO NRS/PEDOT:PSS heterojunctie, is vergelijkbaar met een bipolaire cel, die een tussenliggend neuron is. De PEDOT:PSS, een outputlaag, is vergelijkbaar met een ganglioncel, een outputneuron. Gouden elektroden op PU-vezel komen overeen met optische zenuwvezels. De postsynaptische stroom, IPSC, wordt gelezen door de FPAS en het postsynaptische signaal wordt gelezen door een optische zenuwvezel. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) Eerdere pogingen om kunstmatige netvliezen te ontwikkelen hebben stijve, vlakke structuren ingebouwd die niet geschikt zijn voor integratie met de gebogen binnenkant van de oogbol. Flexibele apparaten hadden ook te maken met beperkingen. Vroegere zachte elektronica was bijvoorbeeld nog steeds afhankelijk van standaard veldeffecttransistorarchitecturen die tijdens bedrijf aanzienlijk stroom verbruiken. Dit stond in schril contrast met het aangeboren vermogen van het netvlies om licht om te zetten in neurale signalen zonder een externe energiebron. Bovendien is het nabootsen van de gebundelde vezels die de oogzenuw vormen een voortdurende moeilijkheid gebleven.
Het nieuwe kunstmatige netvlies pakt deze aanhoudende uitdagingen aan door middel van een innovatieve compositie en ontwerp. Het creëert een verticale heterostructuur door een op zonlicht reagerende zinkoxide nanostaafjes-array op een geleidende polymeerlaag, poly(3,4-ethyleendioxythiofeen) polystyreensulfonaat (PEDOT:PSS), te leggen. Deze structuur bevindt zich niet op een vlak oppervlak, maar wikkelt zich rond de omtrek van een buigbare polyurethaanvezel bedekt met gouden elektroden.
Opmerkelijk is dat dit vezelvormige apparaat, wanneer het wordt blootgesteld aan UV-licht, zijn elektrische geleidbaarheid kan moduleren om essentiële functies van retinale neuronen en synapsen na te bootsen zonder dat er externe voeding nodig is. Het werkt door het opvangen en vrijgeven van door fotonen gegenereerde ladingsdragers op de kruising tussen materialen aan te passen. In het donker absorberen zuurstofmoleculen op de oppervlakken van de zinkoxide nanostaafjes, waardoor vrije elektronen worden gevangen. Dit maakt de nanostaafjes positiever geladen, analoog aan natriumionen die biologische fotoreceptorcellen binnendringen. Daarentegen genereert UV-blootstelling elektronen-gatparen in de nanostaafjes, waardoor hun elektrische toestand fundamenteel dichter bij die van netvliescellen komt te liggen die aan zichtbaar licht worden blootgesteld.
Het onderzoeksteam demonstreerde hoe dit mechanisme ervoor zorgt dat hun kunstmatige netvliesvezel op korte termijn plasticiteit en langetermijnpotentiëring vertoont, zoals een natuurlijke synaps, wanneer deze wordt blootgesteld aan variërende optische stimuli. Hun fotonische apparaat zou ook biologische functies kunnen repliceren, waaronder gepaarde pulsfacilitatie – de verbeterde reactie op dicht bij elkaar gelegen pulsen – en piektiming-afhankelijke plasticiteit afgestemd op pulsduur, intensiteit en frequentie.
Opmerkelijk genoeg behield de kunstmatige netvliesvezel belangrijke synaptische kenmerken, zelfs als deze ernstig gebogen was, in kronkels rond de buis gedraaid of in stof geweven was. De robuustheid komt voort uit de zachte, duurzame materialen die de constructie van elektronische componenten op het buigzame, vezelvormige platform mogelijk maken. De betrouwbaarheid maakt de weg vrij voor de integratie van het kunstmatige netvlies in draagbare technologieën.
Om de perceptuele mogelijkheden van hun synapsontwerp te beoordelen, vervaardigden de onderzoekers een 3x3 raster van kunstmatige netvliesvezels op een flexibel substraat. Ze ontdekten dat de array met succes visuele patronen kon detecteren en onthouden die erop werden geprojecteerd met behulp van stencils en ultraviolet licht. De opgeslagen synaptische kracht van deze beelden nam in de loop van de tijd geleidelijk af in een andere opvallende biomimicry van menselijke geheugenprocessen. Door de elektrische geleiding van individuele vezels na blootstelling te monitoren, bleven de gedrukte letters tot een minuut na de eerste belichting detecteerbaar.
De onderzoekers lieten ook zien hoe het uitlezen van de synaptische reacties van de array zou kunnen dienen als invoergegevens voor machine learning-software om nauwkeurig de afstand van een UV-lichtbron af te leiden. Deze demonstratie maakte slechts gebruik van een klein deel van de potentiële visuele verwerkingskracht die inherent is aan het kunstmatige netvliesraster. Het illustreert hoe het combineren van hardware van de volgende generatie die biologische perceptie nabootst met AI-algoritmen transformatieve sensorische mogelijkheden mogelijk kan maken.
Het nieuwe kunstmatige netvlies heeft te maken met enkele beperkingen in zijn afhankelijkheid van UV-licht in plaats van zichtbare golflengten die door het menselijk oog kunnen worden gedetecteerd. Het fundamentele concept zou echter kunnen worden uitgebreid naar zichtbare responsiviteit door geschikte fotonabsorberende nanomaterialen te integreren met de basiszinkoxide nanostaafjestechnologie.
Nog belangrijker is dat deze vooruitgang, door de functies, connectiviteit en duurzaamheid van natuurlijke retinale neuronen nauwkeurig te repliceren in een flexibele vezelvormfactor, een buitengewoon geschikt platform biedt voor het verder verbeteren van synthetisch zicht.
Neuronale structuren van netvliezen en vezelachtige fotonische kunstmatige synapsen. a) Schema's van (i) een menselijk oog, (ii) de structuur en functie van optische neuronen in een netvlies, en (iii) een biologische synaps. b) Schema's van (i) de structuur van een FPAS-array, (ii) de structuur en functie van elke laag in een enkele FPAS, en (iii) een organisch-anorganische heterojunctie in een FPAS. c) Een schema van de vergelijkende structuur en functie van het menselijk netvlies en FPAS. De lichtdetectielagen (ZnO NR's) komen overeen met fotoreceptorcellen. De depletielaag, een tussenlaag gevormd door een ZnO NRS/PEDOT:PSS heterojunctie, is vergelijkbaar met een bipolaire cel, die een tussenliggend neuron is. De PEDOT:PSS, een outputlaag, is vergelijkbaar met een ganglioncel, een outputneuron. Gouden elektroden op PU-vezel komen overeen met optische zenuwvezels. De postsynaptische stroom, IPSC, wordt gelezen door de FPAS en het postsynaptische signaal wordt gelezen door een optische zenuwvezel. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) Eerdere pogingen om kunstmatige netvliezen te ontwikkelen hebben stijve, vlakke structuren ingebouwd die niet geschikt zijn voor integratie met de gebogen binnenkant van de oogbol. Flexibele apparaten hadden ook te maken met beperkingen. Vroegere zachte elektronica was bijvoorbeeld nog steeds afhankelijk van standaard veldeffecttransistorarchitecturen die tijdens bedrijf aanzienlijk stroom verbruiken. Dit stond in schril contrast met het aangeboren vermogen van het netvlies om licht om te zetten in neurale signalen zonder een externe energiebron. Bovendien is het nabootsen van de gebundelde vezels die de oogzenuw vormen een voortdurende moeilijkheid gebleven.
Het nieuwe kunstmatige netvlies pakt deze aanhoudende uitdagingen aan door middel van een innovatieve compositie en ontwerp. Het creëert een verticale heterostructuur door een op zonlicht reagerende zinkoxide nanostaafjes-array op een geleidende polymeerlaag, poly(3,4-ethyleendioxythiofeen) polystyreensulfonaat (PEDOT:PSS), te leggen. Deze structuur bevindt zich niet op een vlak oppervlak, maar wikkelt zich rond de omtrek van een buigbare polyurethaanvezel bedekt met gouden elektroden.
Opmerkelijk is dat dit vezelvormige apparaat, wanneer het wordt blootgesteld aan UV-licht, zijn elektrische geleidbaarheid kan moduleren om essentiële functies van retinale neuronen en synapsen na te bootsen zonder dat er externe voeding nodig is. Het werkt door het opvangen en vrijgeven van door fotonen gegenereerde ladingsdragers op de kruising tussen materialen aan te passen. In het donker absorberen zuurstofmoleculen op de oppervlakken van de zinkoxide nanostaafjes, waardoor vrije elektronen worden gevangen. Dit maakt de nanostaafjes positiever geladen, analoog aan natriumionen die biologische fotoreceptorcellen binnendringen. Daarentegen genereert UV-blootstelling elektronen-gatparen in de nanostaafjes, waardoor hun elektrische toestand fundamenteel dichter bij die van netvliescellen komt te liggen die aan zichtbaar licht worden blootgesteld.
Het onderzoeksteam demonstreerde hoe dit mechanisme ervoor zorgt dat hun kunstmatige netvliesvezel op korte termijn plasticiteit en langetermijnpotentiëring vertoont, zoals een natuurlijke synaps, wanneer deze wordt blootgesteld aan variërende optische stimuli. Hun fotonische apparaat zou ook biologische functies kunnen repliceren, waaronder gepaarde pulsfacilitatie – de verbeterde reactie op dicht bij elkaar gelegen pulsen – en piektiming-afhankelijke plasticiteit afgestemd op pulsduur, intensiteit en frequentie.
Opmerkelijk genoeg behield de kunstmatige netvliesvezel belangrijke synaptische kenmerken, zelfs als deze ernstig gebogen was, in kronkels rond de buis gedraaid of in stof geweven was. De robuustheid komt voort uit de zachte, duurzame materialen die de constructie van elektronische componenten op het buigzame, vezelvormige platform mogelijk maken. De betrouwbaarheid maakt de weg vrij voor de integratie van het kunstmatige netvlies in draagbare technologieën.
Om de perceptuele mogelijkheden van hun synapsontwerp te beoordelen, vervaardigden de onderzoekers een 3x3 raster van kunstmatige netvliesvezels op een flexibel substraat. Ze ontdekten dat de array met succes visuele patronen kon detecteren en onthouden die erop werden geprojecteerd met behulp van stencils en ultraviolet licht. De opgeslagen synaptische kracht van deze beelden nam in de loop van de tijd geleidelijk af in een andere opvallende biomimicry van menselijke geheugenprocessen. Door de elektrische geleiding van individuele vezels na blootstelling te monitoren, bleven de gedrukte letters tot een minuut na de eerste belichting detecteerbaar.
De onderzoekers lieten ook zien hoe het uitlezen van de synaptische reacties van de array zou kunnen dienen als invoergegevens voor machine learning-software om nauwkeurig de afstand van een UV-lichtbron af te leiden. Deze demonstratie maakte slechts gebruik van een klein deel van de potentiële visuele verwerkingskracht die inherent is aan het kunstmatige netvliesraster. Het illustreert hoe het combineren van hardware van de volgende generatie die biologische perceptie nabootst met AI-algoritmen transformatieve sensorische mogelijkheden mogelijk kan maken.
Het nieuwe kunstmatige netvlies heeft te maken met enkele beperkingen in zijn afhankelijkheid van UV-licht in plaats van zichtbare golflengten die door het menselijk oog kunnen worden gedetecteerd. Het fundamentele concept zou echter kunnen worden uitgebreid naar zichtbare responsiviteit door geschikte fotonabsorberende nanomaterialen te integreren met de basiszinkoxide nanostaafjestechnologie.
Nog belangrijker is dat deze vooruitgang, door de functies, connectiviteit en duurzaamheid van natuurlijke retinale neuronen nauwkeurig te repliceren in een flexibele vezelvormfactor, een buitengewoon geschikt platform biedt voor het verder verbeteren van synthetisch zicht.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64205.php
