Metalenti e muscoli artificiali per replicare l’occhio umano

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occhio artificialeVerso l’occhio artificiale: è questa la direzione presa dal team della Harvard John A. Paulson School of Engineering e Applied Sciences. I ricercatori, guidati da Federico Capasso, hanno sviluppato un nuovo tipo di metalenti, che, combinate a muscoli artificiali controllati elettricamente, modificano la propria struttura per correggere i difetti di visione. Detta con le parole di Alan She, che ha condotto lo studio, questa ricerca ha permesso di creare una metalente sintonizzabile, che può modificare la messa a fuoco in tempo reale, “proprio come l’occhio umano”.

Le metalenti sono l’ultima frontiera delle lenti ottiche. Presentate per la prima volta su Science nel 2016 dallo stesso Capasso, sono lenti ottiche planari (piatte) ad alta efficienza in grado di focalizzare la luce in tutto lo spettro visibile. Le metalenti sono fatte in biossido di titanio, un materiale che non assorbe né disperde la luce e che sostituisce egregiamente il vetro, col vantaggio di ospitare nanostrutture metalliche. È l’organizzazione di queste nanostrutture nel materiale che permette di controllare le onde luminose che l’attraversano.

Ma come si arriva a creare un occhio artificiale?

Prima di tutto i ricercatori hanno dovuto affrontare il problema delle dimensioni. Finora le metalenti erano piccolissime, delle dimensioni di un glitter. Per passare a una loro applicazione pratica (per sviluppare cioè nuovi microscopi ottici, ma anche fotocamere e smartphone sempre più sottili e performanti), dunque, bisognava aumentarne le dimensioni. Il problema è che “poiché le nanostrutture sono così piccole [600 nanometri, ndr], la densità delle informazioni in ogni obiettivo è incredibilmente alta”, spiega She. “Se si passa da una lente da 100 micron a una da 1 centimetro, le informazioni aumenteranno di 10mila volte. Ogni volta che abbiamo provato a ridimensionare l’obiettivo, le dimensioni del file sono cresciute nell’ordine dei gigabyte o addirittura terabyte”. Troppo per le attuali tecnologie di produzione di circuiti integrati.

Per andare oltre l’ostacolo, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo algoritmo dimostrando la possibilità di progettare e fabbricare metalenti di oltre un centimetro di diametro.

Risolto il problema delle dimensioni, i ricercatori dovevano trovare il modo di rendere la metalente sintonizzabile come l’occhio umano, cioè capace di modificarsi per correggere la messa a fuoco dell’immagine. Grazie alla partnership con il team di David Clarke, le metalenti sono state montate sui cosiddetti muscoli artificiali, elastomeri dielettrici che modificano la loro struttura grazie all’applicazione di un voltaggio elettrico. Lo scopo: ottenere artificialmente l’effetto dell’anello muscolare che modifica la forma del cristallino all’interno dell’occhio.

Il supporto scelto da Capasso e colleghi è un materiale sottile, trasparente, che non interferisce con il passaggio della luce. Montata la metalente sul muscolo artificiale, gli scienziati hanno potuto facilmente modificare l’organizzazione delle nanostrutture che controllano il passaggio delle onde luminose correggendo allo stesso tempo le principali aberrazioni ottiche.

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