Φακοί επαφής που σου επιτρέπουν να βλέπεις στο σκοτάδι; Νέα επανάσταση στην όραση
Μια εντυπωσιακή επιστημονική εξέλιξη ανοίγει νέους ορίζοντες στην ανθρώπινη όραση, καθώς ερευνητές ανέπτυξαν ειδικούς φακούς επαφής που επιτρέπουν στους ανθρώπους να αντιλαμβάνονται το υπέρυθρο φως — μια μορφή ακτινοβολίας που κανονικά είναι αόρατη στο ανθρώπινο μάτι. Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο διεθνές επιστημονικό περιοδικό Cell και περιγράφει μια καινοτόμο προσέγγιση που αξιοποιεί νανοτεχνολογία για να επεκτείνει τα φυσικά όρια της ανθρώπινης αντίληψης του φωτός.
Οι φακοί επαφής που αναπτύχθηκαν από την ερευνητική ομάδα περιέχουν ειδικά νανοσωματίδια τα οποία έχουν τη μοναδική ικανότητα να μετατρέπουν το υπέρυθρο φως σε ορατό φως. Η τεχνολογία αυτή βασίζεται σε μια διαδικασία γνωστή ως «μετατροπή ανώτερης ενέργειας» (upconversion), κατά την οποία σωματίδια που βρίσκονται ενσωματωμένα στο υλικό του φακού απορροφούν ακτινοβολία χαμηλής ενέργειας —όπως η υπέρυθρη— και την επανεκπέμπουν ως φως υψηλότερης ενέργειας, το οποίο μπορεί να ανιχνεύσει ο ανθρώπινος αμφιβληστροειδής.
Με αυτόν τον τρόπο, οι φακοί λειτουργούν σαν ένα είδος μεταφραστή του φωτός. Αντί να χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά κυκλώματα, αισθητήρες ή μπαταρίες όπως οι συσκευές νυχτερινής όρασης, οι φακοί εκμεταλλεύονται απλώς τις ιδιότητες των νανοϋλικών που περιέχουν. Το αποτέλεσμα είναι μια εντελώς παθητική τεχνολογία, που δεν απαιτεί καμία εξωτερική πηγή ενέργειας για να λειτουργήσει.
Η βασική αρχή της έρευνας προκύπτει από το γεγονός ότι το ανθρώπινο μάτι μπορεί να αντιληφθεί μόνο ένα μικρό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το ορατό φως εκτείνεται περίπου από τα 400 έως τα 700 νανόμετρα μήκους κύματος. Πέρα από αυτό το εύρος υπάρχουν πολλές μορφές ακτινοβολίας —όπως το υπεριώδες και το υπέρυθρο— που δεν γίνονται αντιληπτές από την ανθρώπινη όραση.
Το υπέρυθρο φως βρίσκεται ακριβώς πέρα από το κόκκινο άκρο του ορατού φάσματος και αποτελεί σημαντικό μέρος της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από θερμά αντικείμενα και από τον Ήλιο. Αν και ο άνθρωπος δεν μπορεί να το δει, πολλές τεχνολογίες έχουν αξιοποιήσει αυτή την ακτινοβολία, από θερμικές κάμερες μέχρι συστήματα τηλεπικοινωνίας.
Η ερευνητική ομάδα προσπάθησε να γεφυρώσει αυτό το αισθητηριακό κενό, ενσωματώνοντας νανοσωματίδια σε μαλακούς φακούς επαφής παρόμοιους με αυτούς που χρησιμοποιούνται για τη διόρθωση της όρασης. Τα υλικά αυτά είναι βιοσυμβατά και διαφανή, ώστε να μην παρεμποδίζουν την κανονική όραση του χρήστη.
Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, οι επιστήμονες εξέτασαν πρώτα τη λειτουργία της τεχνολογίας σε πειραματόζωα. Ποντίκια που φορούσαν τους ειδικούς φακούς εμφάνισαν συμπεριφορές που έδειχναν ότι μπορούσαν να αντιλαμβάνονται υπέρυθρη ακτινοβολία. Σε πειραματικές συνθήκες όπου υπήρχαν διαφορετικοί χώροι φωτισμένοι μόνο με υπέρυθρο φως, τα ζώα έδειχναν σαφή αντίδραση στην παρουσία της ακτινοβολίας, κάτι που δεν συνέβαινε πριν φορέσουν τους φακούς.
Επιπλέον, καταγράφηκαν φυσιολογικές αντιδράσεις των οφθαλμών και του εγκεφάλου που επιβεβαίωναν ότι τα σήματα έφταναν στα οπτικά κέντρα του εγκεφάλου. Οι κόρες των ματιών των ζώων συστέλλονταν όταν εκτίθεντο στο υπέρυθρο φως, ενώ οι νευρωνικές αποκρίσεις στον οπτικό φλοιό υποδήλωναν ότι η πληροφορία μεταδιδόταν μέσω των φυσιολογικών οπτικών οδών.
Μετά τα πειράματα σε ζώα, η τεχνολογία δοκιμάστηκε σε μικρό αριθμό ανθρώπων εθελοντών. Οι συμμετέχοντες που φορούσαν τους φακούς μπορούσαν να αντιληφθούν υπέρυθρα σήματα που εκπέμπονταν από ειδικές πηγές φωτός. Σε ορισμένες δοκιμές μάλιστα κατάφεραν να αναγνωρίσουν απλά μοτίβα ή σήματα που αντιστοιχούσαν σε κώδικα Morse.
Ένα ενδιαφέρον αποτέλεσμα ήταν ότι η ανίχνευση των σημάτων γινόταν ακόμη πιο εύκολη όταν οι συμμετέχοντες έκλειναν τα μάτια τους. Αυτό συμβαίνει επειδή το υπέρυθρο φως μπορεί να διαπεράσει τα βλέφαρα πιο εύκολα από το ορατό φως, μειώνοντας την παρεμβολή του περιβάλλοντος φωτισμού.
Οι ερευνητές προχώρησαν επίσης σε μια πιο εξελιγμένη εκδοχή της τεχνολογίας, στην οποία διαφορετικά μήκη κύματος υπέρυθρης ακτινοβολίας μετατρέπονται σε διαφορετικά χρώματα μέσα στο ορατό φάσμα. Με αυτόν τον τρόπο ο χρήστης μπορεί όχι μόνο να αντιλαμβάνεται την παρουσία υπέρυθρου φωτός αλλά και να διακρίνει διαφορετικές πηγές ή συχνότητες.
Παρά την εντυπωσιακή φύση της ανακάλυψης, οι επιστήμονες τονίζουν ότι η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε αρχικό στάδιο ανάπτυξης. Οι σημερινοί φακοί μπορούν να ανιχνεύσουν κυρίως ισχυρές πηγές υπέρυθρης ακτινοβολίας, όπως ειδικές λυχνίες LED, και όχι τις ασθενείς φυσικές πηγές θερμότητας που χρησιμοποιούν οι θερμικές κάμερες. Επίσης, η ανάλυση της εικόνας παραμένει περιορισμένη, επειδή το φως που εκπέμπεται από τα νανοσωματίδια διαχέεται ελαφρώς πριν φτάσει στον αμφιβληστροειδή.
Ωστόσο, οι επιστήμονες θεωρούν ότι με περαιτέρω βελτιώσεις στα νανοϋλικά και στον σχεδιασμό των φακών θα είναι δυνατό να αυξηθεί σημαντικά η ευαισθησία και η ποιότητα της εικόνας. Η εξέλιξη αυτή θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέες εφαρμογές, όπως συστήματα οπτικής επικοινωνίας, τεχνολογίες ασφαλείας ή βοηθητικά μέσα για άτομα με προβλήματα όρασης.
Η έρευνα αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα της σύγκλισης διαφορετικών επιστημονικών πεδίων —της νανοτεχνολογίας, της επιστήμης υλικών και της νευροεπιστήμης— με στόχο την επέκταση των ανθρώπινων αισθήσεων πέρα από τα φυσικά τους όρια. Αν και η πρακτική χρήση τέτοιων φακών στην καθημερινότητα μπορεί να απαιτήσει ακόμη αρκετά χρόνια έρευνας, η ιδέα ότι ο άνθρωπος θα μπορούσε να αντιλαμβάνεται μορφές φωτός που μέχρι σήμερα ήταν αόρατες φαίνεται πλέον πιο κοντά στην πραγματικότητα.
Πηγή: Eπιστημονική δημοσίευση στο περιοδικό Cell με τίτλο «Near-infrared spatiotemporal color vision in humans enabled by upconversion contact lenses».