Fotovoltaické vidění

Zrak je bezpochyby nejdůležitějším lidským smyslem, který nám přináší největší tok informací o našem okolí. Jde však o velmi komplikovaný orgán, který může být postižen různými poruchami, jež způsobují částečnou nebo úplnou slepotu. Jednou skupinou chorob jsou degenerativní poruchy sítnice, které vedou ke ztrátě funkce světlocitlivých orgánů, ale je přitom zachována funkčnost nervových spojení. Zde se tedy nabízí otázka: Mohou skvělé vlastnosti současných polovodičových detektorů světla nahradit funkci sítnice? Stačilo by přeci „jen“ vyrobit dostatečně malý a tenký soubor fotodiod (takový malý digitální fotoaparát), implantovat jej na místo sítnice a posílat z něj vhodné elektrické signály do blízkých nervových zakončení. Skutečně už byly provedeny úspěšné implantace na dobrovolnících (E. Zrenner et al. Proc. Royal Soc. B278, 1489–1497, 2010, doi: 10.1098/rspb.2010.1747). Detektorem zde byla mřížka 1500 fotodiod, z nichž každá měla svůj zesilovač a posílala signál na elektrody. Jedním ze zásadních problémů je pochopitelně zdroj energie. V uvedeném případě byla dodávána externě vodičem vyvedeným ven z těla; případně se využívá indukce v implantované cívce (obr. 1A).

Skupina vědců z kalifornských univerzit (ze Stanfordu a Santa Cruz) publikovala nedávno nové elegantní řešení (K. Mathieson et al. Nature Photonics 6, 391–397, 2012). Jejich implantát je tvořen fotovoltaickými prvky a potřebnou energii dodává samo světlo. Jeden světlocitlivý element je tvořen třemi křemíkovými diodami spojenými do série, takže se dosahuje napětí 3 × 0,5 V = 1,5 V.

K tomu, aby na elektrodách vznikl proud dostatečný pro vybuzení signálu v nervech, ovšem intenzita běžného osvětlení soustředěného do oka nestačí – je asi tisíckrát menší, než je třeba. Proto jsou nezbytnou součástí systému brýle vycházející z projekčních videobrýlí  používaných v systémech „virtuální reality“. Ty vypadají jako trochu „nafouknuté“ sluneční brýle, které mají uprostřed malou kameru (obr. 1B), jejíž signál je zpracován kapesním počítačem a poslán do LCD displejů na vnitřní straně brýlí. Displej je prosvícen infračerveným diodovým laserem a obraz promítnut brýlemi a okem na čip implantovaný pod sítnicí.

Autoři věnovali velkou pozornost zejména nalezení nejvhodnější vlnové délky (880–915 nm) a intenzity laseru, která vyvolá dostatečný signál pro oční nerv, ale nebude nebezpečná ostatní tkáni. Z toho důvodu zvolili pulzní režim osvětlení, kdy je možno použít vyšší špičkové výkony než při spojitém osvětlení. Pro blízké infračervené světlo údajně platí vztah pro maximální hustotu ozáření 285 [mW/mm²] × t [ms]^–0,25, kde t je délka pulzu. Pro milisekundový pulz tak vychází 285 mW/mm². Testované pulzy byly o několik řádů pod tímto bezpečným limitem – délka 0,5–4 ms a špičkové ozáření 0,2 až 10 mW/mm². Dostatečnost signálů byla proměřována elektrofyziologicky in vitro na zdravých i degenerovaných sítnicích potkanů. Ukazuje se, že elektrický signál musí projít do hloubky alespoň 5 až 25 mm, aby zajistil efektivní stimulaci neuronů.

Výsledky jsou tedy velmi slibné. Velkou výhodou popsaného systému je, že chirurgický zákrok je poměrně malý a k drobnému implantátu nevedou žádné vodiče. Úkolů k řešení je však stále dost, například hustota světlocitlivých elementů musí být zatím relativně malá (perioda asi 140 mm; pro zajímavost velikost pixelů v digitálních fotoaparátech bývá jen několik mm) z důvodu dostatečné plochy diod pro získání stimulujícího proudu, ale také kvůli dostatečnému prostorovému oddělení stimulací (aby se sousední signály neprolínaly).

Doufejme, že tento výsledek přispěje také ke zlepšení obecného vnímání slova fotovoltaika, při jehož vyslovení se možná některým lidem zatmívá před očima.