Indium: Der Schlüssel zur nächsten Generation bionischer Augen

Lot ist in Medizinprodukten im Körperinneren allgegenwärtig – von Herzschrittmachern bis hin zu Cochlea-Prothesen. Batterie, Komponenten und Leiterplatte werden dabei von der Lotpaste, den Formteilen, dem Draht, den Kugeln und den Flusmitteln der Indium Corporation an ihrem Platz gehalten. Aber ein Element ist der Schlüssel, um das zukünftige Potenzial einer ganz bestimmten Prothese zu erschließen.

In dem 1972 erschienenen Roman Cyborg erhält der Testpilot Steve Austin mechanische Prothesen, um die bei einem Absturz zerstörten Körperteile zu ersetzen. Zwei Jahre später wurde die fiktive Geschichte vom Fernsehsender ABC mit der Serie „Der Sechs-Millionen-Dollar-Mann“ auf den Bildschirm gebracht. [Heute wäre Steve inflationsbereinigt der 34-Millionen-Dollar-Mann.] Zu seinen Prothesen gehörten ein bionischer Arm mit übermenschlicher Kraft und Geschicklichkeit und ein herausnehmbares linkes Auge mit einer Miniaturkamera.

Obwohl es sich bei dem Buch, der Fernsehserie und den nachfolgenden Filmen um fiktive Werke handelt, gibt es bionische Körperteile schon seit Jahrzehnten. So entwickelte der MIT-Professor und Pionier der künstlichen Intelligenz Marvin Minsky in den 1970er-Jahren einen computergesteuerten mechanischen Arm mit 14 Gelenken, drei Ellbogen und einer hydraulischen Muskulatur. Marvin glaubte, dass hochwertiges sensorisches Feedback eines Tages ein Stadium erreichen würde, in dem sich fortgeschrittene teleoperierte Robotersysteme „so sehr wie unsere eigenen Hände anfühlen und funktionieren würden, dass wir keinen signifikanten Unterschied mehr bemerken würden.“ Aber bionische Augenimplantate – selbst solche mit einfachen Zielen in Bezug auf die Sehkraft – sind erst seit Kurzem in der Entwicklung.

Das erste bionische Auge – das Argus II Retinal Prosthesis System von dem Unternehmen Second Sight Medical Products – wurde erst 2013 von der FDA zugelassen. Die Bilder der Argus-Videokamera werden in elektronische Daten umgewandelt und an eine implantierte Netzhautprothese gesendet. Dieses System umfasst lediglich 60 Pixel in Schwarz-Weiß. Spulen wir bis heute vor: Forscher am Harbin Institute of Technology in China und an der englischen Northumbria University haben möglicherweise den Code für eines der größten Hindernisse bei der Weiterentwicklung der bionischen Augentechnologie geknackt – die Senkung des Stromverbrauchs.

Biomimetik ist das Studium der Natur und natürlicher Phänomene und die Übertragung von Lösungen auf die natürliche Welt. Biomimetische Augen, die über hervorragende Abbildungsfunktionen verfügen (z. B. große Sichtfelder, geringe Aberrationen), haben ein großes Potenzial in den Bereichen Sehprothesen und Robotik gezeigt. Die Entwicklung dieser Technologie ist bisher jedoch nur langsam vorangeschritten, was auf den hohen Stromverbrauch bei der Verarbeitung zurückzuführen ist. Der Schlüssel zur Verringerung dieses Stromverbrauchs? Indium.

Wenn eine künstliche synaptische Vorrichtung mit einer durch Elektroneninjektion verstärkten Indiumschicht beschichtet wird, erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit und der Stromverbrauch sinkt drastisch. Im Vergleich zu den derzeitigen optischen künstlichen Synapsen erreicht diese Vorrichtung einen extrem niedrigen Stromverbrauch von 68,9 aJ pro Spitze, was mehrere hundert Mal niedriger ist.

Es gibt noch weitere Probleme, die die Entwicklung biomimetischer Augen erschweren, darunter die Steifigkeit der derzeit verfügbaren Materialien und die komplexen Strukturen der Geräte. Um hochauflösende Informationen vom Auge zum visuellen Kortex zu übertragen, bedarf es einer perfekten Synergie zwischen Verarbeitungsleistung und technologischen Fortschritten, die wahrscheinlich noch Jahrzehnte entfernt ist. Aber die wichtige Rolle von Indium bei der Verringerung des Stromverbrauchs dieser Geräte inspiriert neue Forschungen zu künftigen künstlichen Sehsystemen.

Steve Austin mit seiner Miniaturkamera wäre wahrscheinlich ziemlich neidisch.

Verfasst von MarCom Specialist Christian Vischi mit Beiträgen von Technology Assessment Manager David Socha.

Literatur:

Hu, Yunxia, et al. „Ultralow Power Optical Synapses Based on MoS₂ Layers by Indium-Induced Surface Charge Doping for Biomimetic Eyes.“ Advanced Materials. 16. Oktober 2021. DOI: 10.1002/adma.202104960