Come un vero e proprio occhio, le metalenti abbinate a muscoli artificiali si modificano per correggere i difetti ottici e ripristinare la messa a fuoco. / Like a real eye, the metalenses combined with artificial muscles change to correct the optical defects and restore the focus.
Come un vero e proprio occhio, le metalenti abbinate a muscoli artificiali si modificano per correggere i difetti ottici e ripristinare la messa a fuoco. / Like a real eye, the metalenses combined with artificial muscles change to correct the optical defects and restore the focus.
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Verso l’occhio artificiale: è questa la direzione presa dal gruppo 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.
ENGLISH
Towards the artificial eye: this is the direction taken by Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences. The researchers, led by Federico Capasso, have developed a new type of metalenses, which, combined with electrically controlled artificial muscles, modify their structure to correct vision defects. Said in the words of Alan She, who led the study, this research allowed to create a tunable metalens, which can change the focus in real time, "just like the human eye".
The metalenses are the last frontier of optical lenses. Presented for the first time on Science in 2016 by the same Capasso, are high-efficiency planar (flat) lenses able to focus light throughout the visible spectrum. The metalenses are made of titanium dioxide, a material that does not absorb or disperse light and that substitutes the glass very well, with the advantage of hosting metal nanostructures. It is the organization of these nanostructures in the material that allows to control the light waves that cross it.
But how do you get to create an artificial eye?
First of all, the researchers had to face the problem of size. So far, the metalenses were very small, the size of a glitter. To move to a practical application (to develop new optical microscopes, but also cameras and smartphones that are increasingly thin and performing), therefore, the dimensions had to be increased. The problem is that "because the nanostructures are so small [600 nanometers, ed], the density of information in each lens is incredibly high," explains She. "If you switch from a 100 micron to a 1 centimeter lens, the information will increase by 10 thousand times. Every time we tried to resize the target, the file size grew in the order of gigabytes or even terabytes. "Too much for current integrated circuit manufacturing technologies.
To go beyond the obstacle, the researchers developed a new algorithm demonstrating the possibility of designing and manufacturing metal workers of over one centimeter in diameter.
Having solved the problem of dimensions, the researchers had to find a way to make the metalens tunable as the human eye, that is, capable of modifying itself to correct the focus of the image. Thanks to the partnership with the team of David Clarke, the metalenses have been mounted on the so-called artificial muscles, dielectric elastomers that modify their structure thanks to the application of an electric voltage. The aim: to artificially obtain the effect of the muscular ring which changes the shape of the crystalline inside the eye.
The support chosen by Capasso and colleagues is a thin, transparent material that does not interfere with the passage of light. Mounted the metalens on artificial muscle, scientists could easily change the organization of nanostructures that control the passage of light waves while correcting the main optical aberrations.
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