Вчені розробили електрохімічне око з високою роздільною здатністю і швидкістю відгуку. Кришталик вони замінили на лінзу, склоподібне тіло - на іонний електроліт, сітківку - на світлопоглинаючий масив нанонітей перовскіту, а замість нейронів використовували рідкометалічні дроти з галію та індія. Така система успішно розпізнала букви I, У, А і Е. Роботу опубліковано в журналі.
Людські очі за рахунок увігнутої напівсферичної сітківки і світлоуправляючих компонентів внутрішньоочної рідини володіють широким полем зору в 150-160 градусів, високою роздільною здатністю в одну кутову хвилину (одна шістдесята градуса), а також хорошою адаптивністю. Виходячи з цього, вчені та інженери зацікавлені в розробці штучного аналога. Передбачається, що він знайде застосування в робототехніці.
У сітківці людського ока розташовані палочки (відповідають за смарагдово-зелену область спектра і забезпечують нічний зір) і колбочки (фіолетово-синя, зелено-жовта і жовто-червона області спектру). Їхня щільність сягає десяти мільйонів на квадратний сантиметр із середнім кроком у три мікрометри, що й створює таку високу дозволяючу здатність. На сьогодні інженери виробляють доступні сенсори на основі приладів із зарядним зв'язком і комплементарних структур метал-оксид-напівпровідник, які переважно використовують плоску архітектуру через поширений процес отримання плоских мікросхем. Подібні пристрої вже досягли схожої дозволяючі здібності, але через технологічну складність отримання пристрою у формі напівсфер практично не реалізуються. Крім того, останнім часом вчені активно розвивали світлопоглинаючі масиви гібридних перовскітів в якості фотодетекторів.
Чжиюн Фань (Zhiyong Fan) з колегами з Гонконгського університету науки і технології представили штучну зорову систему на основі сферичних електрохімічних очей з напівсферичною сітківкою з щільного масиву нанонітей світлочутливого гібридного перовскіту. Як аналог склоподібного тіла вони використовували рідкий іонний електроліт, а рідкометалічні дроти з'єднували світлочутливу структуру з виводними контактами. Така система показала низьку межу виявлення і широке поле зору. Більш того, світлочутливий шар вийшов більш щільним, ніж у людського ока, що підвищує дозволяючу здатність зорової системи.
Вчені отримали таке око наступним чином. За допомогою напівсферичних прес-форм вони вигинали алюмінієву фольгу з товщиною в півміліметра для отримання півсферичної оболонки, яку потім піддавали анодизації для отримання пористого шару оксиду алюмінію товщиною в 40 мікрометрів із заданим розміром пір. Після цього автори нанесли свинець на дно пір алюмінієвої матриці методом електроосадження і потім протравили поверхню для позбавлення від незаповненої матриці і решти алюмінію. Отримані плівки перенесли в трубчасту піч і піддавав конверсії в нанонити перовскіта - йодида свинцю формамідинію. Для збільшення адгезії на поверхню плівок напилили шар індія в 20 нанометрів.
Контактний масив рідкого металу дослідники забезпечили полідіметилсилоксановою формою у вигляді їжака (таку форму надрукували на 3D принтері). У м'які трубки вони залили розплав індія і галія, а потім поєднали форму зі світлочутливим шаром. Щоб уникнути точкового підключення кожного пікселя нанопроводами безпосередньо, вчені використовували рідкий метал, який самостійно створить контакт за рахунок поверхневого натягнення. У передній алюмінієвій півсфері очі автори роботи зробили отвір, а іншу частину півсфери покрили вольфрамом, який служить протиелектродом для електрохімічного оптичного детектора. Вони склеїли півсфери між собою за допомогою епоксидного клею, у внутрішню область залили рідкий іонний електроліт біс (трифторметилсульфоніл) імід і йодид 1-бутил-3-метилімідазола, а в кінці приклеїли в отвір передньої півсфери лінзу, що збирає. Автори сконструювали прототип із сотнею пікселів із роздільною здатністю 1,6 міліметра через товщину рідких дротів, яку складно зменшити до декількох мікрометрів, проте в майбутньому вони мають намір використовувати металеві мікроігли мікрометрового діаметру.
Масив із нанопроводів перовскіту має мінімальну роздільну здатність у 500 нанометрів, що відповідає щільності пікселів у 460 мільйонів на квадратний сантиметр, що набагато більше, ніж у людській сітківці, що потенційно можна буде використовувати в оптичних сенсорах для імітації людських очей, якщо вирішити проблему електричного контакту кожного пікселя.
Щоб перевірити якість фотодетектування, вчені провели серію експериментів з пікселями. Час відгуку і відновлення склав 32 і 40,8 мілісекунд, відповідно. Модифікувавши структуру поверхні і збільшивши концентрацію іонного електроліту, вчені знизили опір контактного переходу і досягли значень в 19,2 і 23,9 мілісекунди, що в два рази швидше, ніж у людського ока (40-150 мілісекунд), але збільшення концентрації іонного електроліту призводить до збільшення втрат світла при проходженні через більш щільний шар, а тому в майбутньому цю проблему теж належить вирішити.
Вчені виміряли залежність фотоструму від потужності падаючого випромінювання в широкому проміжку від 0,3 мікроват до 50 міліват на квадратний сантиметр і виявили, що відгук збільшується з падінням потужності випромінювання. Така система може досягти фотоструму в 303,2 мільйампер на ватт, що обганяє існуючі електрохімічні фотодетектори і йде нарівні з твердотельними фотодетекторами на основі перовскитних нанонітей. Після 64800 циклів роботи автори не помітили втрат характеристик.
Для визначення прямої здатності очей до детектування картинок інженери провели тест на буквах I, Е, У і А. Отримане зображення - чорно-біле, так як на відміну від людського ока в такій системі лише одна світлопоглинаюча речовина. У порівнянні з плоскими оптичними сенсорами, напівсферична форма електрохімічного ока забезпечує більш рівномірну відстань між пікселями і об'єктивом, в результаті чого збільшується широта поля зору і поліпшується фокусування на кожному пікселі.
Вчені розробляють не тільки очі для роботів, а й модернізують людські очі. Два роки тому китайські вчені розробили світлочутливу шкіру з можливістю автономного функціонування за рахунок коливальної енергії моргання. Такий пристрій можна безпосередньо підключити до головного мозку і використовувати як штучну сітківку ока.