Nossos olhos se ajustam naturalmente ao mundo visible. Desde a leitura de fontes pequenas em uma tela até a digitalização de vegetação exuberante ao ar livre, eles mudam automaticamente o foco para ver tudo que está perto e longe.
Isso está muito longe dos sistemas de câmeras. Mesmo as ofertas topo de linha, como câmeras full-frame sem espelho, exigem múltiplas lentes volumosas para cobrir uma ampla gama de distâncias focais. Por exemplo, os fotógrafos usam lentes telefoto para filmar a vida selvagem à distância e lentes macro para capturar os detalhes de pequenas coisas de perto – por exemplo, uma gota de orvalho da manhã numa flor.
Em contraste, nossos olhos são feitos de “tecidos macios e flexíveis em uma forma altamente compacta”, disseram recentemente Corey Zhang e Shu Jia, do Georgia Institute of Know-how. escreveu.
Inspirados pela natureza, a dupla projetou uma lente robótica altamente flexível que ajusta sua curvatura em resposta à luz, sem necessidade de energia externa. Adicionada a um microscópio padrão, a lente poderia focar nos pelos individuais da perna de uma formiga e nos lóbulos de grãos de pólen individuais.
Chamado de lente gelatinosa de hidrogel fotorresponsiva (PHySL), o sistema pode ser especialmente útil para imitar a visão humana em lentes moles. robôs. Também poderia abrir a porta para uma variedade de usos em imagens médicas, monitoramento ambiental ou até mesmo como uma câmera alternativa em dispositivos móveis ultraleves.
Olhos Artificiais
Somos criaturas altamente visuais. Aproximadamente 20 por cento do córtex cerebral –quatro a seis bilhões de neurônios—é dedicado ao processamento da visão.
O processo começa quando a luz atinge a córnea, uma estrutura clara em forma de cúpula na frente dos nossos olhos. Esta camada de tecido começa a focar a luz. A próxima camada é a parte colorida do olho e da pupila. Este último dilata à noite e encolhe durante o dia para controlar a quantidade de luz que atinge o cristalino, que fica diretamente atrás da pupila.
Com uma estrutura flexível que lembra um M&M, a lente focaliza a luz na retina, que a traduz em sinais elétricos para o cérebro interpretar. Os músculos oculares alteram a distância focal puxando fisicamente a lente em diferentes formatos. Trabalhando em conjunto com a córnea, essa flexibilidade nos permite mudar o que estamos focando sem pensamento consciente.
Apesar da sua natureza delicada e do uso diário, os nossos olhos podem permanecer em bom estado de funcionamento durante décadas. Não é de admirar que os cientistas tenham tentado desenvolver lentes artificiais com propriedades semelhantes. Olhos de inspiração biológica podem ser especialmente úteis em robôs leves que navegam em terrenos perigosos com potência limitada. Eles também poderiam fazer endoscópios cirúrgicos e outras ferramentas médicas mais compatíveis com nossos corpos moles ou ajudam pinças macias colher frutas e outros itens delicados sem machucá-los ou quebrá-los.
“Esses recursos geraram esforços substanciais em óptica bioinspirada”, escreveu a equipe. Diversos tentativas anteriores usaram um método baseado em fluido, que altera a curvatura – e, portanto, a distância focal – de uma lente gelatinosa com pressão externa, um choque elétrico ou temperatura. Mas estes estão sujeitos a danos mecânicos. Outras engenhocas que usam {hardware} sólido são mais robustas, mas requerem motores mais pesados para funcionar.
“A óptica necessária para formar um sistema visible ainda está tipicamente restrita a materiais rígidos que utilizam energia elétrica”, escreveu a equipe.
Nova Perspectiva
O novo sistema reuniu dois campos: lentes ajustáveis e materiais macios.
A lente do sistema é feita de PDMS, um materials leve e flexível à base de silicone usado em lentes de contato e cateteres.
O outro componente atua como músculos artificiais para alterar a curvatura da lente. É fabricado com um hidrogel biocompatível e polvilhado com um produto químico sensível à luz. O aquecimento do sensor químico faz com que o gel mude de forma.
A equipe combinou essas duas partes em um olho robótico suave, com o hidrogel envolvendo a lente central. Quando exposto ao calor – como o proveniente da luz – o gel libera água e se contrai. À medida que encolhe, a lente se achata e sua distância focal aumenta, permitindo que o olho identifique objetos a distâncias maiores.
Privar o sistema de luz – essencialmente como fechar os olhos – esfria o gel. Em seguida, ele incha até sua espessura authentic, libera a tensão e a lente é reiniciada.
O design oferece melhor estabilidade mecânica do que as versões anteriores, escreveu a equipe. Como o gel se contrai com a luz, ele pode formar uma estrutura de suporte mais forte que evita que a delicada lente dobre ou desmorone à medida que muda de forma. O olho robótico funcionou conforme esperado em todo o espectro de luz, com resolução e foco comparáveis ao olho humano. Também period durável, mantendo o desempenho após vários ciclos de flexão, torção e alongamento.
Crédito da imagem: Shu Jia
Com ajustes adicionais, o sistema provou ser um substituto eficiente para lentes tradicionais à base de vidro em instrumentos ópticos. A equipe conectou a lente mole a um microscópio padrão e visualizou uma série de amostras biológicas. Isso incluía fibras fúngicas, pêlos microscópicos na perna de uma formiga e o espaço entre as garras de um carrapato – todos com tamanho aproximado de um décimo da largura de um fio de cabelo humano.
A equipe também quer melhorar o sistema. Os hidrogéis desenvolvidos recentemente respondem mais rapidamente à luz com forças mecânicas mais poderosas, o que poderia melhorar o alcance focal do olho robótico. A forte dependência do sistema em relação às flutuações de temperatura pode limitar a sua utilização em ambientes extremos. A exploração de diferentes aditivos químicos poderia potencialmente alterar sua faixa de temperatura operacional e adaptar o hidrogel para usos específicos.
E porque o olho robótico “vê” em todo o espectro de luzpoderia, em teoria, imitar os olhos de outras criaturas, como o camarão louva-a-deus, que pode detectar diferenças de cores invisíveis aos humanos, ou olhos de répteis que podem capturar a luz ultravioleta.
O próximo passo é incorporá-lo a um robô flexível como um sistema de câmera de inspiração biológica que não depende de eletrônicos ou energia further. “Este sistema seria uma demonstração significativa do potencial do nosso design para permitir novos tipos de detecção visible suave”, escreveu a equipe.