Inspirado por el ojo humano, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson han desarrollado un metalente adaptativo, que es esencialmente un piso, ojo artificial controlado electrónicamente. El metalente adaptativo controla simultáneamente tres de los principales contribuyentes a las imágenes borrosas:enfoque, astigmatismo, y cambio de imagen.

La investigación se publica en Avances de la ciencia .

"Esta investigación combina los avances en la tecnología de los músculos artificiales con la tecnología de metalentes para crear metalentes sintonizables que pueden cambiar su enfoque en tiempo real, al igual que el ojo humano, "dijo Alan She, estudiante de posgrado en SEAS y primer autor del artículo. "Damos un paso más para desarrollar la capacidad de corregir dinámicamente aberraciones como el astigmatismo y el cambio de imagen, lo que el ojo humano no puede hacer naturalmente ".

"Esto demuestra la viabilidad del zoom óptico y el enfoque automático integrados para una amplia gama de aplicaciones, incluidas las cámaras de teléfonos móviles, anteojos y hardware de realidad virtual y aumentada, "dijo Federico Capasso, Robert L. Wallace, profesor de física aplicada y Vinton Hayes, investigador principal de ingeniería eléctrica en SEAS y autor principal del artículo. "También muestra la posibilidad de futuros microscopios ópticos, que funcionan de forma totalmente electrónica y pueden corregir muchas aberraciones simultáneamente ".

La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual relacionada con este proyecto y está explorando oportunidades de comercialización.

Para construir el ojo artificial, los investigadores primero necesitaban ampliar las metalentes.

Las metalentes anteriores tenían aproximadamente el tamaño de una sola pieza de brillo. Enfocan la luz y eliminan las aberraciones esféricas a través de un patrón denso de nanoestructuras, cada uno más pequeño que una longitud de onda de luz.

"Debido a que las nanoestructuras son tan pequeñas, la densidad de información en cada lente es increíblemente alta, "dijo ella." Si pasas de una lente de 100 micrones a una lente de un centímetro, habrá aumentado en diez mil la información necesaria para describir la lente. Siempre que intentamos ampliar la lente, el tamaño del archivo del diseño por sí solo aumentaría a gigabytes o incluso terabytes ".

Para resolver este problema, los investigadores desarrollaron un nuevo algoritmo para reducir el tamaño del archivo y hacer que las metalentes sean compatibles con la tecnología que se usa actualmente para fabricar circuitos integrados. En un artículo publicado recientemente en Óptica Express , Los investigadores demostraron el diseño y la fabricación de metalentes de hasta centímetros o más de diámetro.

"Esta investigación brinda la posibilidad de unificar dos industrias:la fabricación de semiconductores y la fabricación de lentes, mediante el cual la misma tecnología utilizada para fabricar chips de computadora se utilizará para fabricar componentes ópticos basados ​​en metasuperficie, como lentes, "dijo Capasso.

Próximo, los investigadores necesitaban adherir los grandes metalentes a un músculo artificial sin comprometer su capacidad para enfocar la luz. En el ojo humano, el cristalino está rodeado por músculo ciliar, que estira o comprime la lente, cambiando su forma para ajustar su distancia focal. Capasso y su equipo colaboraron con David Clarke, Profesor de Materiales de la Familia Tarr Extendida en SEAS y pionero en el campo de aplicaciones de ingeniería de actuadores de elastómero dieléctrico, también conocidos como músculos artificiales.

Los investigadores eligieron un delgado elastómero dieléctico transparente con baja pérdida, es decir, la luz viaja a través del material con poca dispersión para adherirse a la lente. Para hacerlo necesitaban desarrollar una plataforma para transferir y adherir la lente a la superficie blanda.

"Los elastómeros son tan diferentes en casi todos los aspectos de los semiconductores que el desafío ha sido cómo combinar sus atributos para crear un dispositivo multifuncional novedoso y, especialmente cómo diseñar una ruta de fabricación, ", dijo Clarke." Como alguien que trabajó en uno de los primeros microscopios electrónicos de barrido (SEM) a mediados de la década de 1960, es emocionante ser parte de la creación de un microscopio óptico con las capacidades de un SEM, como el control de aberraciones en tiempo real ".

El elastómero se controla aplicando voltaje. Mientras se estira la posición de los nanopilares en la superficie del desplazamiento de la lente. Las metalentes se pueden sintonizar controlando tanto la posición de los pilares en relación con sus vecinos como el desplazamiento total de las estructuras. Los investigadores también demostraron que la lente puede enfocar simultáneamente, controlar las aberraciones causadas por astigmatismos, así como realizar cambios de imagen.

Juntos, el cristalino y el músculo tienen solo 30 micrones de grosor.

"Todos los sistemas ópticos con varios componentes, desde cámaras hasta microscopios y telescopios, tienen ligeras desalineaciones o tensiones mecánicas en sus componentes, dependiendo de la forma en que fueron construidos y su entorno actual, que siempre causará pequeñas cantidades de astigmatismo y otras aberraciones, que podría corregirse mediante un elemento óptico adaptativo, "dijo ella." Debido a que el metalente adaptativo es plano, puede corregir esas aberraciones e integrar diferentes capacidades ópticas en un solo plano de control ".

Próximo, los investigadores apuntan a mejorar aún más la funcionalidad de la lente y disminuir el voltaje requerido para controlarla.