Ojo de Metalente Adaptativo de Harvard Combina Potencia Muscular para Enfoque Superior y Claridad de Imagen

• La metalente puede enfocar, realizar desplazamiento de imagen y controlar aberraciones causadas por astigmatismos, todo al mismo tiempo.
• La lente y músculo juntos tienen un grosor total de 30 micrones.
• La forma de la metalente es controlada por una señal eléctrica para formar los frentes de onda ópticos necesarios.

Investigadores de la Universidad de Harvard han construido una metalente adaptativa que controla 3 de los factores cruciales de imágenes borrosas – Enfoque, Astigmatismo y Desplazamiento de imagen. Este ojo plano, controlado electrónicamente, combina avances en tecnología de metalente con tecnología de músculo artificial.

El ojo artificial puede controlar simultáneamente los 3 factores cruciales, y puede configurarse para cambiar su enfoque en tiempo real. Funciona como un ojo humano normal, sin embargo, en el futuro, la tecnología puede mejorarse aún más para hacer cosas que el ojo humano no puede hacer naturalmente, como corregir dinámicamente desplazamiento de imagen y astigmatismo.

La tecnología también muestra la factibilidad de autofoco integrado y zoom óptico para varias aplicaciones, desde gafas y microscopios ópticos hasta smartphones y dispositivos VR/AR.

¿Cómo Lo Hicieron?

Generalmente, las metalentes enfocan luz y reducen aberraciones esféricas vía un patrón denso de nanoestructuras que es menor que la longitud de onda de la luz. Dado que son demasiado pequeñas, la densidad de información en cada lente es extremadamente alta.

Para crear un ojo artificial, la primera tarea es escalar la metalente. Sin embargo, cada vez que los científicos intentaron hacer esto, el tamaño del archivo del diseño solo llegaría a terabytes.

Para lidiar con este problema, desarrollaron un algoritmo que comprime el tamaño del archivo a un nivel significativo, haciendo la metalente compatible con técnicas usadas para fabricar circuitos integrados. Las metalentes se escalaron a centímetros de diámetro.

Como puedes ver en la imagen de abajo, la iridiscencia colorida dentro de la metalente (hecha de silicio) es generada por el enorme número de nanoestructuras.

Metalente de silicio montada en hoja de polímero transparente | Crédito: Harvard SEAS

Referencia: Science Advances | doi:10.1126/sciadv.aap9957 | Harvard SEAS

El siguiente paso es pegar la metalente a un músculo artificial de manera que no afecte la capacidad de enfoque de luz de la metalente. El lente natural del ojo está rodeado por músculos ciliares, un anillo de músculo liso que controla la acomodación para ver objetos a distancias variables cambiando la forma del lente.

Los científicos seleccionaron un elastómero dieléctrico delgado y transparente para adherir al lente, a través del cual la luz puede viajar con menos dispersión. Construyeron una plataforma completamente nueva para transferir y adherir el lente a la superficie suave. No hace falta decir que este fue el mayor desafío en todo el proceso de desarrollo de un ojo artificial.

Metalente enfocando rayo de luz en sensor de imagen | Crédito: Capasso Lab / Harvard SEAS

Como puedes ver en la imagen de arriba, la forma de la metalente es controlada por una señal eléctrica para formar los frentes de onda ópticos necesarios (rojo).

El elastómero se sintoniza aplicando voltaje variable. La posición de los nanopilares en la superficie del lente cambia cuando el elastómero se estira. La posición de los pilares con respecto a sus vecinos, y el desplazamiento total de las estructuras podría usarse para configurar la metalente.

La lente y músculo juntos tienen un grosor total de 30 micrones. Puede enfocar, realizar desplazamiento de imagen y controlar aberraciones causadas por astigmatismos, todo al mismo tiempo.

Prueba de Fiabilidad

La fiabilidad del instrumento se probó con un voltaje sinusoidal que variaba de 2 a 100 hertz a 2.5 kV de amplitud. No falló en absoluto, ni la calidad de imagen pareció degradarse después de mil ciclos.

Sin embargo, se observó ruptura dieléctrica a casi 3.5 kV, cuando la corriente eléctrica empezó a fluir a través de él, dañando el instrumento. Fue una ruptura "suave" asociada con quemado local. Los mismos instrumentos pudieron reanudar operación después de ciclar la energía.

Más Aplicaciones

Casi todos los dispositivos ópticos con varios módulos (incluyendo telescopios, microscopios y cámaras) contienen muy pocos esfuerzos/mecánicos desalineaciones en sus módulos. Esto usualmente se basa en cómo fueron creados y su entorno que causa ligeras aberraciones.

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Estos errores podrían corregirse a través de componente óptico adaptativo. Dado que la metalente descrita aquí es plana, se puede usar para corregir esas aberraciones e integrar numerosas capacidades de óptica en un solo plano de control.

Por ahora, el próximo objetivo es mejorar aún más la funcionalidad de la metalente mientras se reduce el voltaje necesario para operarla.