Человеческий глаз – это центр восприятия. Он может видеть миллионы цветов, свободно подстраиваться под смену освещения и транслировать информацию в мозг со скоростью превышающей скорость интернет соединения.

Современная биомедицина

В фильме Терминатор персонаж Арнольда Шварцнеггера видел мир с помощью визуального преобразователя данных в виде виртуальных субтитров, которые возникали во время сканирования киборгом окружающего мира.

В научно-фантастических историях, написанных фантастом Вернором Винджем (Vernor Vinge), персонажи используют электронные контактные линзы, а не смартфоны и мозговые импланты, для беспрепятственного доступа к информации, возникающей прямо перед глазами.

Эти так называемые визоры могут показаться чем-то невозможным, но контактные линзы со встроенной простейшей электроникой уже используются. Как факт, Бабак Парвиз, доцент кафедры электротехники, и его студенты уже создали такие приспособления, в небольшом количестве в лаборатории Вашингтонского университета в Сиэтле. Эти линзы не дают орлиного зрения или бегущих субтитров, описывающих все, что нас окружает, но они создали линзы с одним диодом и с беспроводным радиочастотным питанием. Хотя их сегодняшние технологические достижения – это всего лишь малая доля того потенциала, который будет доступен в будущем.

Обычные контактные линзы являются полимерами специальной формы для корректировки изъянов зрения. Что бы расширить функциональность таких линз, Парвиз и его студенты интегрировали схему управления, схему коммуникации и миниатюрные антенны в линзу, используя специальные оптоэлектронные компоненты. Эти компоненты в конечном счете будут включать в себя тысячи диодов, которые будут формировать картинки, прямо перед глазом, будь то слова, диаграммы или фотографии. Большая часть составных частей линзы должна быть полупрозрачна, чтобы не дезориентировать пользователей. По всей вероятности, отдельные портативные устройства будут выводить отображаемую информацию, обработанную оптоэлектроникой, на контрольную панель линзы.

При использовании этих линз не возникает особых сложностей. Даже с одним пикселем линза уже способна помочь людям с ослабленным слухом или может использоваться в качестве индикатора в компьютерных играх. С большим количеством цветов и разрешений, ее возможности могут быть расширены, включая отображение текста, перевод с языка на язык в реальном времени в виде субтитров или вывод визуальных сигналов навигационной системы. С базовой обработкой изображений и доступом в интернет, дисплеи контактных линз смогут открыть целый новый мир визуальной информации без необходимости использования обычного дисплея.

Наряду с визуальной модернизацией, устройство осуществляющее неинвазивный мониторинг биомаркеров пользователя и выводящее показатели его здоровья может стать распространенным продуктом на рынке будущего. Бабак Парвиз и его студенты сконструировали несколько примеров сенсоров, которые могут определять концентрацию молекул, таких как глюкоза. Датчики, встроенные в линзы, позволят диабетикам контролировать уровень сахара в крови без необходимости прокалывать палец. Сейчас определитель глюкозы это не более чем отблеск того, что станет возможным через пять-десять лет.

Контактные линзы используются повседневно миллионами людей и они являются одним из самых доступных массовых продуктов, которые пребывают в постоянном контакте с телом на протяжение долгого времени. Когда вы проходите анализ крови, ваш доктор вероятно измеряет множество одинаковых биомаркеров, которые найдены в живых клетках на поверхности вашего глаза, концентрация которых близко коррелирует с их уровнем в вашем кровотоке. Специально настроенные контактные линзы могут контролировать уровень холестерина, натрия и калия, для определения нескольких потенциальных угроз. В паре с беспроводной антенной, линза может транслировать информацию медицинскому персоналу мгновенно, без использования игл и химической лаборатории и с очень низким процентом ошибок.

Три фундаментальных проблемы стоят на пути создания многофункциональной контактной линзы. Первая – процесс изготовления многих частей линзы и различных деталей несовместимы друг с другом и с хрупким полимером линзы. Чтобы обойти эту проблему, Бабак Парвиз со своими студентами создают свои устройства с нуля. Чтобы произвести компоненты для кремниевых микросхем и диодов ими используются высокие температуры и едкие химикаты – это означает, что эти компоненты нельзя изготавливать прямо на линзе. Это приводит ко второй проблеме: все компоненты линзы должны быть миниатюрными и встроенными в прозрачный гибкий полимер площадью полтора квадратных сантиметра.

Пока что ученые полностью не решили эту проблему, но они уже разработали свой собственный процесс сборки, позволяющий интегрировать несколько различных компонентов в линзу. Последнее, но не менее важное требование – устройство должно быть абсолютно безопасным для глаза. Возьмем, например, диод. Большинство красных диодов сделаны из алюминия и арсенида галлия, которые весьма токсичны. Поэтому перед соприкосновением диода с глазом, он должен находиться в биосовместимой субстанции.

На данный момент, кроме измерителя количества глюкозы, Бабак Парвиз и его студенты смогли изготовить несколько других наноразмерных биосенсоров, которые отвечали электрическим сигналом при контакте с определенными молекулами. Ученые также создали несколько микрокомпонентов, включая однокристальные кремниевые транзисторы, радиочипы, антенны, диффузионные резисторы, диоды и кремниевые фотодетекторы. Помимо этого ими были сконструированы все микронные металлические соединения, необходимые для формирования схемы контактной линзы.

К тому же, ученые показали, что эти микрокомпоненты могут быть объединены путем процесса самосборки на других специальных субстратах, таких как тонкий, гибкий и прозрачный пластик или стекло. Бабак Парвиз и его студенты создали прототип линз с диодом, маленьким радиочипом и антенной и передавали энергию в линзу, используя беспроводную систему для работы светодиода. Чтобы продемонстрировать, что такие линзы могут быть безопасны, они инкапсулировали их в биосовместимый полимер и успешно протестировали их на живых кроликах.

Наблюдение излучаемого светодиодом света – это большое достижение. Но первоначальная цель – увидеть что-то полезное через эту линзу. К счастью, человеческий глаз является невероятно чувствительным фотодетектором. Точно в полдень безоблачным днем через наш зрачок проходит много потоков света и мир становится несомненно ярче. Но глазу не нужна оптическая поддержка, он может воспринимать картинки с лишь несколькими микроваттами оптической мощности, проводимой через его линзу. ЖК монитор компьютера также расточителен. Он посылает большое количество фотонов, но лишь небольшая их часть попадает в ваш глаз, и достигая сетчатки, формирует картинку. Но, когда дисплей расположен прямо на вашей роговице, каждый фотон, генерируемый этим дисплеем помогает формировать картинку.

Привлекательность такого подхода очевидна: со светом исходящим из линзы непосредственно в ваш зрачок, а не из внешнего источника, для формирования картинки вам потребуется затрачивать гораздо меньше энергии. Но как получить свет из линзы? Ученые рассмотрели два основных подхода. один из вариантов – сконструировать в линзе дисплей, основанный на наборе светодиодных пикселей, так называемый активный дисплей. Альтернативой этому является использование пассивных пикселей, которые скорее просто преломляют входящий свет, а не излучают свой собственный.

По сути, они формируют изображение, изменяя свой цвет и прозрачность, реагируя на источник света. Они похожи на ЖК-дисплеи, в которых крошечные жидкокристаллические «барьеры» блокируют белый свет, либо пропускают его через красный, зеленый или голубой фильтры. Для пассивных пикселей функциональной контактной линзы источником света должна быть окружающая среда, цвета не будут такими же точными, как у ЖК-дисплея со светодиодной подсветкой, но изображения будут такие же отчетливые и в хорошем разрешении.

Бабак Парвиз и его студенты в первую очередь проявили активный подход и сделали линзы, на которых может разместиться набор светодиодов восемь на восемь. Пока что активные пиксели проще прикреплять к линзам. Но если ученые смогут понять как сделать пассивные пиксели меньше, с высокой контрастностью и способными быстро реагировать на внешние сигналы, то с их использованием значительно снизится потребность питания.

Сейчас вы наверное удивитесь, как человек, носящий одну из подобных контактных линз, сможет фокусироваться на изображении возникшем на поверхности его глаза. Тем не менее, здоровый глаз не может фокусироваться на объекте, который находится ближе, чем на 10 см от поверхности роговицы. Светодиод сам по себе лишь размытое цветное пятно в поле зрения пользователя. Так или иначе, изображение должно отталкиваться от роговицы. Единственный способ сделать это – использовать набор более мелких линз, расположенных на поверхности контактной линзы. Набор таких микролинз уже использовался ранее для фокусировки лазеров в фотолитографии для расположения световых узоров на фоторезист. На контактной линзе каждый пиксель или небольшая группа пикселей должны соответствовать микролинзе, расположенной между глазом и пикселями. Расположение пикселя и микролинз на 360 микрометров друг от друга вполне достаточно для того, чтобы виртуальное изображение отталкивалось от роговицы, упрощая процесс фокусировки глаза. Пользователю будет казаться, что изображение возникает в пространстве на расстоянии полуметра от него, в зависимости от микролинзы.

Другой вариант сделать изображение четким – использовать сканирующий микролазер или набор микролазеров. Лазерные лучи рассеиваются гораздо меньше, чем свет светодиодов, поэтому изображение будет четче. А что-то вроде зеркала будет сортировать красные, зеленые и голубые лучи, генерируемые лазером, для получения изображения. Разрешение картинки будет ограничено в первую очередь толщиной луча и лазер будет очевидно очень маленьким, что в свою очередь, может стать серьезной проблемой. Как бы там ни было, использование лазеров станет гарантией того, что изображение всегда будет в фокусе и это исключит необходимость использования микролинз.

Вне зависимости от того, что используется в дисплеях линз – светодиоды или лазеры, площадь доступная для оптоэлектроники на поверхности контактной линзы будет очень мала, примерно, 1,2 миллиметра в диаметре. К тому же дисплей должен быть полупрозрачным, чтобы пользователь мог видеть все, что его окружает. Это серьезное требование, но ведь нет ничего невозможного.

Диаметр светодиодных чипов, созданных Бабаком Парвизом, составляет 300 микрометров, а светоизлучающая зона каждого чипа равна 60 микрометрам, с радиусом 112 микрометров. Команда Парвиза старается значительно сократить размеры и их цель состоит в создании набора из 3600 пикселей шириной 10 микрометров, расположенных на расстоянии 10 мкм друг от друга.

Самое сложное поместить этот дисплей на глазу таким образом, чтоб, он не мешал при этом подвижности зрачка. Обычные контактные линзы, исправляющие астигматизм, утяжелены книзу, для поддержания специального положения линзы, плюс-минус несколько градусов.

Как и портативная электроника, эти линзы подпитываются от специальных источников, но среди предложенных опций, пока ни одна не подошла. Например, батареи сложно уменьшить чтоб они помещались в таком ограниченном пространстве, а использование литий-ионных батарей опасно для глаза. Лучшими вариантами пока остаются сбор инертной энергии от окружающей среды, путем преобразования окружающих колебаний в энергию, либо подпитка от солнечной или радиочастотной энергии. Большинство инерционных подпиток имеют очень низкий показатель мощности, поэтому ученые сфокусировались на подпитке линз от солнечной или радиочастотной энергии.

Давайте представим, что 1 кв.см. линзы – площадь предназначенная для энергоснабжения, и скажем, что эта область будет занята солнечными батареями. Это означает, что почти 300 микроватт поступающей энергии будут доступны внутри и гораздо больше будет доступно снаружи. C коэффициентом преобразования в 10 процентов эти данные будут передавать до 30 микроватт доступной электроэнергии, в том случае, если все подсистемы контактной линзы функционируют внутри.

Сбор радиочастотной энергии из источника в кармане пользователя даст несущественный эффект. При таком положении линза скорее будет содержать антенны, а не фотоэлектрические клетки. Вывод антенн будет ограничен полями силы допустимыми на разных частотах в пучках микроволн между 1.5 и 100 Ггц, в то время как допустимый для человека уровень равен 1 милливатту на квадратный сантиметр. Для наших прототипов мы создали первое поколение антенн, которые транслируют в диапазоне от 900 мегагерц, до 6 Ггц и мы работаем над более эффективными версиями. Так из участка линзы в один квадратный сантиметр мы можем получить 100 микроватт, в зависимости от производительности антенны и схемы преобразования.

Если все эти подсистемы будут работать, то последней задачей станет их объединение на одном тонком, полимерном диске. Напомним те части, которые надо уместить в линзе: металлические микроструктуры, для формирования антенн; составной полупроводник, для создания оптоэлектронных устройств; дополнительный, улучшенный металл-оксид-проводник кремниевых схем для маломощных настроек и радиочастотных коммуникаций; микроэлектромеханическая система (МЭМС) датчиков и резонаторов для настройки частот РЧ коммуникаций; и покрытие сенсоров находящихся в реакции с биохимической средой.

В процессе создания полупроводника большая часть компонентов, которые использовал Парвиз, не будет работать, потому что они термически и химически несовместимы с гибкой полимерной основой линзы. Что бы обойти эту проблему Парвиз и его студенты отдельно создали большинство микрокомпонентов на КНИ (кремний на изоляторе) – пластинах и изобрели светодиоды и некоторые биосенсоры на других основах. Каждая часть имеет металлические соединения и травится в уникальной форме. Конечный продукт представляет собой набор частей, похожих на мелкозернистый порошок, который в дальнейшем внедряется в линзу.

Парвиз и его студенты уже начали готовить субстрат, который будет держать все микрокомпоненты. Слой полиэтилентерефталата толщиной 100µm. Субстрат имеет определенные фотолитографические металлические линии соединения и связующие области. Эти области слегка вдавлены на глубину около 10 µm, в местах, где будут проходить электрические соединения между компонентами и матрицей. На дне каждого углубления есть микробассейн со сплавами низкой температуры плавления, который позже будет соединять два межсоединения, где будет осуществляться микроспайка.

Затем пластиковая основа линзы погружается в жидкую среду и на нее напыляется набор микрокомпонентов. Узлы связи разрезаются, чтобы соответствовать геометрии отдельных частей, так что треугольный компонент находится в треугольном углублении. Маленькая металлическая прокладка на поверхности компонента способствует контакту со сплавами на дне углубления, а капиллярная сила закрепит компонент на нужном месте. После того, как, все части расположатся в нужных ячейках, ученые понижают температуру до затвердевания сплава. Этот этап фиксирует механический и электрический контакт между компонентами, соединениями и субстратом.

Далее важно убедиться, что все потенциально вредные компоненты, которые были собраны воедино, полностью безопасны для глаза. Линзы, которые разработали Парвиз с командой студентов, напоминают уже существующие контакты с небольшими участками воздухонепроницаемого материала, вокруг электронных компонентов. Они герметизировали функциональные части полиметилметакрилатом, в то время, как полимер использовался для создания более раннего поколения контактных линз.

Дальше возникает вопрос взаимодействия тепла и света с глазом. Важно не только снизить электропотребление системы для экономии энергии, но и так же важно, чтобы тепло выделяемое линзой не вредило глазу, так что температура должна быть не выше 45°C. Ученым предстоит полностью исследовать эту проблему, но предварительный анализ показал, что нагрев линзы не будет большой проблемой.

Все основные технологии, необходимые для создания функциональной контактной линзы, уже существуют. Бабак Парвиз и его студенты опробовали несколько прототипов на животных и доказали, что платформа может быть безопасной. Что им необходимо сделать сейчас, так это показать, что все подсистемы работают вместе, сделать некоторые компоненты еще меньше и увеличить радиочастотную мощность для улучшения производительности продукта и увеличения дистанции на расстояние больше, чем несколько сантиметров, которые сейчас имеются. Также они должны сделать сопутствующее устройство, которое будет делать все необходимые вычисления или обработку изображений, чтобы точно доказать, что система может формировать изображения по требованию. Ученые начали с простого продукта – контактной линзы с одним источником света и они намерены разработать более сложные линзы, которые будут накладывать генерируемую компьютером цветную графику высокого разрешения на поле зрения пользователя.