Une caméra biomimétique imitant l’œil humain

L’œil humain possède un champ visuel exceptionnellement large, une forte résolution et une grande sensibilité, le tout avec de très faibles aberrations. Ces qualités remarquables seraient bien utiles à des prothèses de l’œil ou encore à des applications robotiques. Malgré la difficulté d’imiter la forme sphérique de la rétine de l’œil, des chercheurs de l’Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China et de l’University of California, Berkeley, USA ont réussi à construire une caméra électrochimique de la taille d’un œil humain dotée d’une rétine hémisphérique faite d’un alignement à haute densité de nanofils de perovskite jouant le rôle des photo-récepteurs de la rétine humaine.

 

La structure de l’œil humain et celle de la nouvelle caméra

Dans la vision humaine, un système optique simple, le cristallin, projette une image sur une rétine hémisphérique ; celle-ci la convertit en signaux neuro-électriques transmis par un million de fibres nerveuses au cerveau. La Fig.1. a-c schématise cela.

Fig.1. Comparaison entre l’œil humain et la caméra “ œil électro-chimique“ a)- c) Schéma du système humain de vision d) – f) Schéma du système de vision par œil électrochimique d) Câblage de l’œil électrochimique e) Sa configuration optique f) Nanofils de perovskite dans une membrane hémisphérique poreusee d’alumine et leur structure cristalline Tiré de A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina Leilei Gu, Swapnadeep Poddar, Yuanjing Lin, Zhenghao Long, Daquan Zhang, Qianpeng Zhang, Lei Shu, Xiao Qiu, Matthew Kam, Ali Javey & Zhiyong Fan Avec autorisation.

Fig.1. Comparaison entre l’œil humain et la caméra “ œil électro-chimique“ de taille identique
a) – c) Schéma du système humain de vision
d) – f) Schéma du système de vision par œil électrochimique
d) Câblage de l’œil électrochimique
e) Sa configuration optique
f) Nanofils de perovskite dans une membrane hémisphérique poreusee d’alumine et leur structure cristalline
Tiré de A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina
Leilei Gu, Swapnadeep Poddar, Yuanjing Lin, Zhenghao Long, Daquan Zhang,
Qianpeng Zhang, Lei Shu, Xiao Qiu, Matthew Kam, Ali Javey & Zhiyong Fan
Nature | Vol 581 | 21 May 2020  Avec autorisation.

 

L’œil artificiel biomimétique, sphérique et électrochimique ( Fig.1 d-f ) réalisé par les  chercheurs a une “rétine“ hémisphérique formée de nanofils de perovskite obtenus par évaporation sur une membrane en alumine poreuse. Ces nanofils servent d’électrodes du système photosensible. Une contre-électrode est fournie par une coquille hémisphérique en aluminium recouvert de tungstène qui, placée à l’avant, supporte la lentille d’entrée. Un liquide ionique sert d’électrolyte entre ces électrodes. Des fils en métal liquide (un alliage eutectique indium-gallium), isolés par des tubes caoutchouc ultra-fins (400 x 700 µm), assurent la transmission des signaux vers le circuit électronique de traitement.

C’est ce que représente la figure 2 ci-dessous.

A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina Leilei Gu, Swapnadeep Poddar, Yuanjing Lin, Zhenghao Long, Daquan Zhang, Qianpeng Zhang, Lei Shu, Xiao Qiu, Matthew Kam, Ali Javey & Zhiyong Fan Nature | Vol 581 | 21 May 2020 Avec autorisation.

Fig.2. Schéma de l’appareillage de la caméra œil biomimétique
Tiré de A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina
Leilei Gu, Swapnadeep Poddar, Yuanjing Lin, Zhenghao Long, Daquan Zhang,
Qianpeng Zhang, Lei Shu, Xiao Qiu, Matthew Kam, Ali Javey & Zhiyong Fan
Nature | Vol 581 | 21 May 2020  Avec autorisation.

Les qualités de l’œil artificiel

Ce système d’œil artificiel a une haute résolution, due à la grande densité des nanofils de perovskite. Sur la surface hémisphérique les photo-senseurs sont plus serrés que s’ils étaient sur un plan. Leur densité atteint 4,6 108/cm2, ce qui est supérieur à celle des photo-récepteurs de la rétine humaine (~107/cm2).

Les photo-détecteurs sont disposés selon une matrice de 10 x 10; l’écart entre eux est de 200 µm. La taille totale du senseur est d’environ 2 mm.

Le temps de réponse du système est de 32 ms, plus rapide que celui de la rétine humaine qui vaut entre 40 et 150 ms. Il en est de même pour le temps de récupération.
Pour augmenter encore la résolution, les chercheurs veulent diminuer la taille des fils en métal liquide pour arriver à celle, quelques microns, des nanofils.

En comparaison avec un photo-senseur plat, on obtient une correction de l’aberration due au fait que la lentille donne une image dans une surface sphérique. En outre, on a un plus grand champ  visuel, environ 100° que celui d’un détecteur plan, et on peut, en optimisant la distribution des pixels sur la rétine hémisphérique, approcher du champ visuel d’un œil humain(~ 130°).

 

 

 

 

Cet œil artificiel biomimétique a un haut degré de ressemblance avec l’ œil humain et on pense obtenir une plus forte résolution que celui-ci en diminuant la taille des conducteurs des signaux optiques.
Ce procédé a l’avantage d’intégrer des dispositifs électroniques sur un substrat sphérique avec une forte densité.
Ces résultats peuvent inspirer des dispositifs d’imagerie optique aptes à trouver de nombreuses applications dans l’instrumentation scientifique, la robotique et même à conduire à la réalisation d’un œil artificiel implantable sur les humains.

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

 

A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina
Leilei Gu, Swapnadeep Poddar, Yuanjing Lin, Zhenghao Long, Daquan Zhang,
Qianpeng Zhang, Lei Shu, Xiao Qiu, Matthew Kam, Ali Javey & Zhiyong Fan
Nature | Vol 581 | 21 May 2020