Gennembrud set inden for kunstig øjen- og muskelteknologi

Inspireret af det menneskelige øje, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet en adaptiv metalens, der i det væsentlige er en flad, elektronisk styret kunstigt øje. De adaptive metalens kontrollerer samtidig tre af de største bidragydere til slørede billeder:fokus, astigmatisme, og billedskift.

Forskningen er publiceret i Videnskabens fremskridt .

"Denne forskning kombinerer gennembrud inden for kunstig muskelteknologi med metalens teknologi for at skabe en afstembar metalens, der kan ændre sit fokus i realtid, ligesom det menneskelige øje, " sagde Alan She, en SEAS kandidatstuderende ved Graduate School of Arts and Sciences, og avisens første forfatter. "Vi går et skridt videre for at opbygge evnen til dynamisk at korrigere for aberrationer såsom astigmatisme og billedskift, som det menneskelige øje ikke naturligt kan."

"Dette demonstrerer gennemførligheden af ​​indlejret optisk zoom og autofokus til en bred vifte af applikationer, inklusive mobiltelefon kameraer, briller, og virtual og augmented reality hardware, sagde Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "Det viser også muligheden for fremtidige optiske mikroskoper, som fungerer fuldt elektronisk og kan korrigere mange aberrationer samtidigt."

Harvard Office of Technology Development har beskyttet den intellektuelle ejendomsret i forbindelse med dette projekt og undersøger kommercialiseringsmuligheder.

At bygge det kunstige øje, forskerne skulle først opskalere metalens.

Metalenses fokuserer lys og eliminerer sfæriske aberrationer gennem et tæt mønster af nanostrukturer, hver mindre end en bølgelængde af lys. Tidligere metalenses var omtrent på størrelse med et enkelt stykke glitter.

"Fordi nanostrukturerne er så små, informationstætheden i hver linse er utrolig høj, " sagde hun. "Hvis du går fra en 100 mikron-størrelse linse til en centimeter-størrelse linse, du vil have øget den nødvendige information til at beskrive linsen med 10, 000. Hver gang vi forsøgte at opskalere linsen, alene filstørrelsen af ​​designet ville ballonere op til gigabyte eller endda terabyte."

For at løse dette problem, forskerne udviklede en ny algoritme til at formindske filstørrelsen for at gøre metalens kompatible med den teknologi, der i øjeblikket bruges til at fremstille integrerede kredsløb. I et papir for nylig offentliggjort i Optik Express , forskerne demonstrerede design og fremstilling af metalenheder på op til centimeter eller mere i diameter.

"Denne forskning giver mulighed for at forene to industrier, halvlederfremstilling og linsefremstilling, hvorved den samme teknologi, der bruges til at fremstille computerchips, vil blive brugt til at fremstille metasurface-baserede optiske komponenter, såsom linser, " sagde Capasso.

Næste, forskerne havde brug for at klæbe de store metalens til en kunstig muskel uden at kompromittere dens evne til at fokusere lys. I det menneskelige øje, linsen er omgivet af ciliær muskel, som strækker eller komprimerer linsen, ændre dens form for at justere dens brændvidde. Capasso og hans team samarbejdede med David Clarke, Udvidet Tarr-familieprofessor i materialer ved SEAS og en pioner inden for tekniske anvendelser af dielektriske elastomeraktuatorer, også kendt som kunstige muskler.

Forskerne valgte en tynd, gennemsigtig dielektrisk elastomer med lavt tab - hvilket betyder, at lys bevæger sig gennem materialet med lidt spredning - for at fastgøres til linsen. For at gøre det, de havde brug for at udvikle en platform til at overføre og klæbe linsen til den bløde overflade.

"Elastomerer er så forskellige på næsten alle måder fra halvledere, at udfordringen har været, hvordan man kombinerer deres egenskaber for at skabe en ny multifunktionel enhed og, især, hvordan man udtænker en produktionsrute, " sagde Clarke. "Som en, der arbejdede på et af de første scanningselektronmikroskoper (SEM'er) i midten af ​​1960'erne, det er spændende at være med til at skabe et optisk mikroskop med evnerne til en SEM, såsom aberrationskontrol i realtid."

Elastomeren styres ved at påføre spænding. Mens den strækker sig, positionen af ​​nanopiller på overfladen af ​​linseforskydningen. Metalenerne kan tunes ved at kontrollere både søjlernes placering i forhold til deres naboer og den totale forskydning af strukturerne. Forskerne viste også, at linsen samtidig kan fokusere, kontrollere aberrationer forårsaget af astigmatisme, og udføre billedskift.

Sammen, linsen og musklen er kun 30 mikron tyk.

"Alle optiske systemer med flere komponenter - fra kameraer til mikroskoper og teleskoper - har små fejljusteringer eller mekaniske belastninger på deres komponenter, afhængig af den måde, de blev bygget på og deres nuværende miljø, som altid vil forårsage små mængder af astigmatisme og andre afvigelser, som kunne korrigeres af et adaptivt optisk element, " sagde hun. "Fordi den adaptive metalens er flad, du kan rette disse aberrationer og integrere forskellige optiske egenskaber på et enkelt kontrolplan."

Næste, forskerne sigter mod yderligere at forbedre linsens funktionalitet og reducere den spænding, der kræves for at kontrollere den.

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.