ResumenTomando como modelos los ojos de insectos como libélulas y moscas, un equipo de bioingenieros de la Universidad de California, Berkeley, ha creado un conjunto de ojos compuestos artificiales..





Basado en una publicación de la Universidad de California en Berkeley

El ojo compuesto artificial creado por Luke P. Lee y su equipo es similar en tamaño, forma y estructura al ojo compuesto de un insecto, visto en una sección transversal. Crédito: Luke Lee cortesía de la revista Science

Tomando como modelos los ojos de insectos como libélulas y moscas, un equipo de bioingenieros de la Universidad de California, Berkeley, ha creado un conjunto de ojos compuestos artificiales..

Estos ojos podrían utilizarse como cámaras o detectores sensoriales para obtener información visual o química desde un mayor campo de visión que el que con anterioridad podía obtenerse incluso con las mejores lentes de ‘ojo de pez’, según Luke P. Lee, el investigador principal del equipo. Las aplicaciones potenciales para estos ojos incluyen vigilancia, detección de movimientos a alta velocidad, sensores medioambientales, procedimientos médicos como endoscopias o cirugía guiada por cámaras, y un gran número de procedimientos de diagnóstico y tratamiento clínico que empleen luz.

Son los primeros sistemas ópticos hemisféricos en tres dimensiones que integran matrices de microlentes – millares de pequeñas lentes colocadas unas junto a las otras - con guías de ondas auto-alineadas y auto-dirigidas, es decir, canales de conducción que se crean ellos mismos formando rayos de luz, dijo Lee, el Profesor de Bioingeniería de UC Berkeley premiado con el Lloyd.

Los ojos fueron descritos por primera vez en el número del 28 de abril de la revista Science.

‘Siempre he querido crear un sistema avanzado óptico de tres dimensiones’, dijo Lee, ‘pero la microfabricación convencional es bidimensional. Así que comencé a pensar en basar el sistema de fabricación en los ojos de los insectos que estudié mientras me preparaba para ser biofísico y bioingeniero’.

Lo que él y su equipo han desarrollado es un método de bajo coste y fácil de reproducir para crear diminutas cúpulas del tamaño de la cabeza de un alfiler formadas por resina de polímeros y surcadas por millares de canales por los que circula la luz, cada uno con una lente en su extremo. Estas unidades no sólo están agrupadas en el mismo patrón hexagonal y con forma de panal del ojo compuesto de los insectos, sino que también son similares en tamaño, diseño, forma y función al ommatidio, la unidad sensitiva individual de un ojo compuesto.

Como alfileres pinchados en su cojín – o como los 30 000 ommatidios del ojo de una libélula - cada ommatidio artificial creado por el equipo está orientado en un ángulo ligeramente diferente. El equipo de Lee ha mostrado que las lentes y sus conductos en los ojos artificiales enfocan y dirigen la luz del mismo modo que lo hace el ojo de un insecto.

El ojo compuesto de un insecto, visto en sección transversal Crédito: Cortesía de Birgit Greiner de la revista Science

Mientras que en el punto final de cada ommatidio de un insecto existe una célula fotorreceptora que transmite la señal luminosa al nervio óptico de la criatura, Lee planea acoplar los ommatidios creados por su equipo con fotodiodos CCD, las unidades de captura de luz que encontramos en las cámaras digitales. También planea unirlos a espectroscopios para análisis y detección de sustancias químicas.

‘Las lentes y sus conductos son la parte más importante del sistema’, dice Lee, ‘la gente decía que sería completamente imposible crearlas con un ángulo, pero lo hemos hecho, y estamos preparados para integrar sentidos visuales o químicos a los ojos’.

Mientras que las técnicas convencionales de microfabricación son caras y emplean altas temperaturas, Lee y su equipo han sacado de la naturaleza, utilizando un sistema de baja temperatura, la tecnología de fotopolimerización, auto alineamiento y autoformación de guías luminosas.

Para crear este ojo artificial, el equipo necesitó primero construir un molde de la capa externa del ojo, una estructura consistente en millares de microlentes. Utilizando la tecnología actual, fabricaron una matriz plana de estas pequeñas lentes con forma de cúpula colocadas en un patrón hexagonal con forma de panal. Encima aplicaron una delgada placa de un polímero elástico llamado polidimetilsiloxano, o PDMS, formando un patrón cóncavo de las lentes en este polímero. Pegando la membrana de PDMS sobre la apertura de una cámara de vacío y aplicando presión de aire negativa, le hicieron tomar la forma de cúpula que necesitaban, moldeando su forma mediante la aplicación de diferentes presiones.

Obtuvieron una semiesfera con forma de taza con alrededor de 8 700 marcas: un molde de ojo compuesto que podría ser usado una y otra vez mediante tecnología de litografía débil, un conjunto de métodos desarrollados durante la década pasada para replicar nanoestructuras.

El material que eligieron para los ojos artificiales fue una resina epoxy que se endurece cuando es expuesta a la luz ultravioleta. Colocaron la resina en los moldes, la calentaron a baja temperatura para simplemente endurecer el material, y consiguieron pequeñas semiesferas de resina con 8 700 diminutos bultos. Cuando cada uno de esos bultos es iluminado por un rayo de luz este actúa como una lente, enfocando y enviando la luz al material que se encuentra debajo. Como un arco de soldadura haciendo un agujero en el metal los rayos de luz perforan la resina creando los pequeños canales denominados guías de ondas autoformadas.

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Puesto que la formación de estos canales está limitada por el ángulo de la luz que les llega, Lee utilizó una lente de concentración para inclinar el rayo luminoso al patrón que le convenía para su convergencia en la cúpula del ojo. El resultado final es que las ondas guiadas penetran en la resina en ángulos que conducen hacia el centro de la cúpula, igual que los ommatidios convergentes de los ojos de un insecto.

Como son las microlentes las que crean las vías por las que penetran esos rayos de luz, cada una de ellas está perfectamente alineada con esas mismas vías. La autoalineación, y los procesos de autoformación son cruciales para la creación del ojo artificial compuesto, dice Lee, ya que estos procesos también alinean las microlentes y los canales con los puntos de los CCD y los espectroscopios.

’¿Quién sabe? Quizás es de esta forma como se crean los ojos de los insectos’, comenta Lee, ‘primero tenemos las lentes, y después, cuando los rayos de luz inciden sobre ellas forman sus propias guías ópticas y se conectan con el sistema visual’.

Lee especula que los ojos artificiales compuestos podrán usarse en unos pocos años. Sus primeras aplicaciones prácticas podrían ser minicámaras para teléfonos móviles. Después espera usarlas en videocámaras omnidireccionales y dispositivos similares.