Lentes de Contato - Um Futuro muito Presente

Neste conceito de lente, uma antena na periferia coleta de energia de RF de entrada de um transmissor portátil separado. Power conversão circuito fornece energia DC para outras partes do sistema e envia instruções para o circuito de controle mostrar. A exibição, no centro, pode consistir de LEDs, que ligam e desligam, ou elementos do tipo LCD, cujo nível de transparência poderia ser modulado pelo circuito de controle. Um módulo de armazenamento de energia, talvez um capacitor grande, é conectado a uma célula solar, que poderia fornecer um impulso para a lente. Um biossensor amostras da superfície da córnea, realiza uma análise, e fornece dados ao módulo de telecomunicações para transmitir para um computador externo.

Uma nova geração de lentes de contato incorporado com circuitos muito pequenos LEDs e promete bionic visão

BY Babak Parviz A.

IEEE Spec| O olho humano é um poço de energia perceptual. Pode ver milhões de cores, ajustar facilmente a mudanças de condições de luz e transmitem informações ao cérebro, a uma taxa superior à de uma velocidade de ligação à Internet de alta.

Mas por que parar lá?

Nos filmes Terminator, Schwarzenegger personagem Arnold vê o mundo com dados sobrepostos no seu visual, virtual legendas campo que melhoram cyborg de varredura de uma cena. Nas histórias da ficção científica Vernor Vinge, os personagens contam com lentes de contato eletrônicas, ao invés de smartphones ou implantes cerebrais, por um acesso directo a informação que aparece à direita antes de seus olhos.

Essas visões (se me permite) pode parecer exagero, mas uma lente de contato com a simples built-in eletrônica já está dentro do alcance, de fato, meus alunos e eu estamos já a produzir esses dispositivos em pequenas quantidades em meu laboratório na Universidade de Washington, em Seattle. Essas lentes não nos dão a visão de uma águia ou a vantagem de executar legendas em nosso meio ainda. Mas nós construímos uma lente com um LED, o que temos alimentado sem fio com RF. O que temos feito até agora apenas sugestões de que em breve será possível com essa tecnologia.

lentes de contato convencionais são polímeros formados em formas específicas para corrigir a visão deficiente. Para ativar tal lente em um sistema funcional, integrar os circuitos de controle, os circuitos de comunicação e antenas em miniatura para a lente usando custom-built componentes optoeletrônicos. Esses componentes eventualmente incluir centenas de LEDs, que irá formar imagens na frente do olho, tais como palavras, gráficos e fotografias. Grande parte do hardware é semitransparente para que usuários possam navegar seus arredores, sem colidir com eles ou ficar desorientado. Em toda a probabilidade, um portátil, dispositivo separado repassar informações de exibição para lente de controle do circuito, que vai operar o optoeletrônica na lente.

Essas lentes não precisa ser muito complexo para ser útil. Mesmo uma lente com um único pixel poderia ajudar pessoas com problemas auditivos ou ser incorporada como um indicador em jogos de computador. Com mais cores e resolução, o repertório poderia ser expandida para incluir a exibição de texto, traduzindo fala em legendas em tempo real, ou oferecer sugestões visuais de um sistema de navegação. Com o processamento de imagem básico e acesso à Internet, uma lente de exibição de contato pode desbloquear todo novos mundos da informação visual, livre das limitações de uma exposição física.

Além da melhoria visual, monitorização não-invasiva de utente biomarcadores e indicadores de saúde poderia ser um futuro enorme mercado . Criamos vários sensores simples que podem detectar a concentração de uma molécula, como a glicose. Sensores construídos para as lentes deixavam usuários diabéticos manter abas em níveis de açúcar no sangue, sem a necessidade de picar o dedo. Os detectores de glicose que estamos avaliando agora é um mero esboço do que será possível nos próximos 5-10 anos. As lentes de contato são usadas diariamente por mais de uma centena de milhões de pessoas, e eles são um dos únicos produtos de mercado de massa descartável, que permanece em contato, através de fluidos, com o interior do corpo por um período prolongado de tempo. Quando você começa um exame de sangue, o médico é, provavelmente, muitos de medição dos biomarcadores mesmo que são encontrados nas células vivas na superfície do olho e em concentrações que está intimamente relacionada com os níveis na sua corrente sanguínea. Uma lente de contato pode monitor configurado adequadamente o colesterol, sódio e potássio, para citar alguns potenciais alvos. Juntamente com um transmissor de dados sem fio, a lente pode transmitir informações para médicos e enfermeiros instantaneamente, sem agulhas ou química de laboratório, e com menor chance muito de misturar-ups.

três desafios fundamentais estão no caminho da construção de uma lente de contato multiuso. Em primeiro lugar, os processos para a tomada de muitas das peças da lente e os subsistemas são incompatíveis entre si e com o polímero fragilidade da lente. Para contornar esse problema, os meus colegas e eu faço todos os nossos dispositivos a partir do zero. Para fabricar os componentes de silício para os circuitos e LEDs, usamos altas temperaturas e produtos químicos corrosivos, o que significa que não pode fabricá-los diretamente para a lente. Isso leva ao segundo desafio, que é a de que todos os componentes principais da lente precisa ser miniaturizados e integrados em cerca de 1,5 centímetros quadrados de uma forma transparente, de polímero flexível. Nós não totalmente resolvido o problema ainda, mas nós temos até agora desenvolvemos o nosso processo de montagem especializada própria, o que nos permite integrar diversos tipos de componentes para uma lente. Last but not least, o conjunto engenhoca deve ser completamente seguro para o olho. Pegue um LED, por exemplo. A maioria dos LEDs vermelhos são feitos de arsenieto de gálio de alumínio, que é tóxico. Portanto, antes de um LED pode ir para o olho, ele deve ser envolto em uma substância biocompatível.

Até agora, além do nosso monitor de glicose, temos sido capazes de fabricar um lote de alguns outros biossensores em nanoescala que respondem a uma molécula-alvo com um eléctrico sinal, nós também fizemos vários componentes em microescala, incluindo transistores de silício de cristal único, os chips de rádio, antenas, resistências de difusão, LEDs e fotodetectores de silício. Temos construído todos os metal escala micrométrica interconexões necessárias para formar um circuito em uma lente de contato. Nós também mostraram que estas microcomponentes pode ser integrado através de um processo de automontagem para outros suportes não convencionais, tais como finas e flexíveis de plástico ou de vidro transparente. Temos lentes fabricadas protótipo com um LED, um chip de rádio de pequeno porte, e uma antena, e nós temos de energia transmitida para a lente sem fios, a iluminação LED. Para demonstrar que as lentes podem ser seguros, nós lhes encapsulado em um polímero biocompatível e testado com sucesso em ensaios com os coelhos vivos.

Second Sight:

Em estudos recentes, usavam lentes de coelhos contendo estruturas metálicas para circuito de 20 minutos a uma hora, sem efeitos adversos .

Vendo a luz de diodo emissor de luz é uma realização razoável. Mas algo útil ver através da lente é claramente o objetivo final. Felizmente, o olho humano é uma célula fotoeléctrica extremamente sensível. Ao meio-dia de alta em um dia sem nuvens, repleto de luz córregos através de seu aluno, eo mundo parece muito promissor. Mas o olho não precisa de toda potência óptica que pode perceber-se imagens com apenas poucos microwatts de potência óptica que passa pela sua lente. Uma tela de computador LCD é igualmente inútil. Ele envia uma grande quantidade de fótons, mas apenas uma pequena fração deles entra seu olho e atingiu a retina para formar uma imagem. Mas quando a tela é diretamente sobre a córnea, cada fóton gerado pela exposição ajuda a formar a imagem.

A beleza deste método é óbvia: Com a luz proveniente de uma lente em seu aluno em vez de uma fonte externa, você precisa de muito menos poder de formar uma imagem. Mas como obter a luz de uma lente? Nós consideramos duas abordagens básicas. Uma opção é criar uma lente para o visor com base em uma matriz de pixels LED, chamamos isso de mostrar um ativo. Uma alternativa é usar pixels passivo que apenas modula a luz recebida em vez de produzir os seus próprios. Basicamente, eles constroem uma imagem, alterando sua cor e transparência, em resposta a uma fonte de luz. (Eles são semelhantes aos LCDs, em que pequenos de cristal líquido "janelas" bloquear ou transmitir através de uma luz branca, verde, azul ou filtro vermelho.) Para pixels passiva em uma lente de contato funcional, a fonte de luz seria o meio ambiente. As cores não seria tão preciso quanto um LCD com retroiluminação em branco, mas as imagens podem ser bastante acentuada e muito bem resolvido.

Fomos perseguidos, principalmente a abordagem activa e produziram lentes que podem acomodar um by-8 8 do array LEDs. Por agora, os pixels ativos são mais fáceis para anexar lentes. Mas usando pixels passivo reduziria significativamente a potência global em contato com o necessidades, se pudermos descobrir como fazer com que os pixels menores, maiores, em contraste, e capaz de reagir rapidamente a sinais externos.


Em Foco:
Um protótipo de lentes [top] tem várias interconexões, o cristal de silício componentes simples, e-semicondutores compostos componentes embutidos dentro. Outra lente amostra [] fundo contém um chip de rádio, uma antena e um LED vermelho.
Até agora você provavelmente está se perguntando como uma pessoa vestindo um de lentes de contato nosso seria capaz de se concentrar em uma imagem gerada na superfície do olho. Afinal, um olho normal e saudável não pode se concentrar nos objetos que são menos de 10 centímetros da superfície da córnea. Os LEDs por si só produzir uma mancha nebulosa da cor no utente o campo de visão. De alguma forma a imagem deve ser empurrado para longe da córnea. Uma maneira de fazer isso é utilizar um conjunto de lentes menores, mesmo colocada sobre a superfície da lente de contato. As matrizes de microlentes tenham sido utilizados no passado a centrar-se lasers e, em fotolitografia, para desenhar padrões de luz em um fotoresiste. Em uma lente de contato, cada pixel ou pequeno grupo de pixels seria atribuído a um microlentes colocado entre o olho ea pixels. Espaçamento entre um pixel e uma microlente 360 micrômetros distante seria o suficiente para empurrar para trás a imagem virtual e deixar o foco olho nele facilmente. Para o utente, a imagem que parece parada no espaço de cerca de meio metro de distância, dependendo da microlente.

Outra maneira de fazer imagens mais nítidas é usar um microlaser digitalização ou uma matriz de microlasers. Feixes de laser divergem muito menos do que a luz LED que, assim que iria produzir uma imagem nítida. Uma espécie de espelho atuado seria digitalizar as vigas de um vermelho, um verde, e um laser azul para gerar uma imagem. A resolução da imagem será limitada, principalmente, pela estreiteza das vigas, e os lasers, obviamente, teria de ser extremamente pequena, o que seria um grande desafio. No entanto, usando lasers garante que a imagem está em foco em todos os momentos e eliminar a necessidade de microlentes.

Quer usar LEDs ou lasers para a nossa exibição, a área disponível para optoeletrônica na superfície do contato é muito pequena: cerca de 1,2 milímetros de diâmetro. A exibição também deve ser semitransparente, de modo que os usuários ainda podem ver os seus arredores. Essas são difíceis, mas não os requisitos impossível. Os chips de LED que nós construímos até agora são 300 μm de diâmetro, e os emissores de luz em cada zona é um chip-μm de largura do anel de 60 anos com um raio de 112 μm. Estamos tentando reduzir o que, por uma ordem de magnitude. Nosso objetivo é uma matriz de 3600 μm de largura 10 pixels espaçados de 10 μm distante.

Uma outra dificuldade em colocar uma tela no olho é mantê-lo de se mover em relação ao aluno. As lentes de contato normal que corrigir para o astigmatismo são ponderados no fundo, para manter uma orientação específica, dar ou tomar alguns graus. Eu acho a mesma técnica poderia manter uma exibição de inclinação (a menos que o utente piscou muitas vezes!).

Como toda a eletrônica móvel, essas lentes devem ser alimentados por fontes adequadas, mas entre as opções, ninguém está particularmente atraente. As limitações de espaço são graves. Por exemplo, as baterias são difíceis de miniaturizar a esta extensão, necessitam de recarga, e aumentar o espectro de, digamos, íons de lítio flutuando no olho após um acidente. Uma estratégia melhor é poder reunir inércia do ambiente, convertendo as vibrações do ambiente em energia ou por RF ou receber energia solar. Maior poder de inércia projetos de limpeza tem potência baixa inaceitável, por isso, têm-se centrado na alimentação nossas lentes com ou RF energia solar.

Vamos supor que um centímetro quadrado de superfície da lente é dedicado à geração de energia, e vamos dizer que dedicar o espaço para as células solares . Cerca de 300 microwatts de potência de entrada seria no interior disponível, com muito mais potencial disponível ao ar livre. Em uma eficiência de conversão de 10 por cento, estes números se traduzem a 30 μW de energia elétrica disponível, se todos os subsistemas da lente de contato foram executados dentro de casa.

coleta de energia de RF de uma fonte no bolso do usuário seria melhorar os números ligeiramente. Nesta configuração, a superfície da lente se mantenha as antenas ao invés de células fotovoltaicas. antenas "A saída seria limitada pela intensidade de campo permitido em várias freqüências. Nas faixas de microondas entre 1,5 gigahertz e 100 GHz, o nível de exposição considerado seguro para humanos é um miliwatt por centímetro quadrado. Para os nossos protótipos, nós fabricamos a primeira geração de antenas que podem transmitir em 900 megahertz para a faixa de 6 GHz, e estamos trabalhando em versões maior eficiência. Assim, desde que um centímetro quadrado de imóveis de lente, devemos ser capazes de extrair pelo menos 100 μW, dependendo da eficiência da antena eo circuito de conversão.

Tendo feito todos os subsistemas de trabalho deles, o último desafio é fazê-los caber em todos os o polímero disco minúsculo mesmo. Lembre-se as peças que precisamos para empinar uma lente: microestruturas metal para formar as antenas; semicondutores compostos para fazer dispositivos optoeletrônicos; avançado complementares de óxido de silício semicondutor metal para circuitos de baixa potência, controle e telecomunicações de RF, sistemas microeletromecânicos (MEMS) e transdutores ressonadores para sintonizar as frequências de comunicação de RF e sensores de superfície que são reativos com o ambiente bioquímico.

A fabricação de semicondutores processos que tipicamente usam para fazer a maioria desses componentes não funcionam, porque ambos são termicamente e quimicamente incompatível com o substrato de polímero flexível da lente de contacto. Para contornar esse problema, independentemente fabricar a maioria dos microcomponentes on-on-wafers de silício isolante, e nós a fabricar LEDs e alguns dos biossensores em outros substratos. Cada parte tem metal interconexões e é gravado em um formato exclusivo. O rendimento final é uma coleção de peças de pó fino que, em seguida, encaixar na lente.

Começamos a preparação do substrato que vai conter o microcomponentes, a-μm de espessura fatia de 100 de tereftalato de polietileno. O substrato tem photolithographically definido metal interligar as linhas e os sítios de ligação. Estes sítios de ligação são poços de pequeno, cerca de 10 μm de profundidade, onde as conexões elétricas serão feitas entre os componentes e do modelo. No fundo de cada poço é um pool minúsculo de a-ponto de fusão da liga de baixo ponto de que mais tarde se juntam dois interliga o que equivale a escala de solda micrômetro.

Em seguida, mergulhe o substrato lente de plástico em um meio líquido e do fluxo da recolha de microcomponentes sobre ele. Os sítios de ligação são cortadas para coincidir com as geometrias das peças individuais para que um elemento triangular encontra um bem triangular, uma parte circular entra em uma circular bem e assim por diante. Quando uma peça cai bem em seus complementares, uma almofada pequena do metal sobre a superfície do componente entra em contato com a liga no fundo do poço, causando uma força capilar que aloja o componente no lugar. Depois de todas as partes tenham encontrado o seu slots, nós deixamos cair a temperatura para solidificar a liga. Esta etapa e trava no contato elétrico entre os componentes mecânicos, a interconexão, eo substrato.

O próximo passo é garantir que todos os componentes potencialmente nocivos que acabamos de montagem são completamente seguros e confortáveis para usar. As lentes que temos vindo a desenvolver semelhante existente gás-permeáveis contatos com pequenas manchas de um material pouco menos respirável que envolve os componentes eletrônicos. Fomos encapsular os elementos funcionais com metacrilato de metila (poly), o polímero usado para fazer as primeiras gerações de lentes de contato. Depois há a questão da interação de calor e luz com o olho. Não só é preciso do sistema de consumo de energia a ser muito baixa por causa do orçamento de energia, também deve evitar a geração de calor suficiente para danificar o olho, assim que a temperatura deve permanecer abaixo de 45 ° C. Ainda temos que investigar essa preocupação na íntegra, mas as nossas análises preliminares sugerem que o calor não deve ser um grande problema.

Todas as tecnologias básicas necessárias para construir as lentes de contacto funcional estão no lugar. Nós testamos os nossos primeiros protótipos de alguns dos animais, comprovando que a plataforma pode ser seguro. O que precisamos fazer agora é mostrar todos os subsistemas de trabalhar em conjunto, reduzir alguns dos componentes ainda mais, e aumentar o poder de RF para uma maior eficiência da colheita e para distâncias maiores do que os poucos centímetros que temos agora. Precisamos também de construir um dispositivo complementar que faria todas as informações necessárias ou computação de processamento de imagem do que realmente provar que o sistema pode formar imagens on demand. Estamos começando com um simples produto, uma lente de contato com uma fonte de luz única, e pretendemos trabalhar até mais lentes sofisticadas que podem sobrepor gerados gráficos a cores de alta resolução computador de um usuário real campo de visão.

A verdadeira promessa desta pesquisa não é apenas um real o sistema que acabamos de fazer, quer se trate de um monitor, um biossensor, ou ambos. Nós já vemos um futuro no qual a lente de contato humilde se torna uma plataforma real, como o iPhone é hoje, com lotes de desenvolvedores contribuindo com suas idéias e invenções. Tanto quanto nós estamos preocupados, as possibilidades se estendem até onde os olhos podem ver, e mais além.