Combinan metalentes con un músculo artificial

Metalentes combinadas con músculo artificial
HARVARD SEAS
Publicado 26/02/2018 7:09:33CET

   MADRID, 26 Feb. (EUROPA PRESS) -

   Inspirados en el ojo humano, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS, por sus siglas en inglés), en Estados Unidos, han desarrollado una metalente adaptativa, que es esencialmente un ojo artificial plano y controlado electrónicamente. Las metalentes adaptativas controlan simultáneamente tres de los principales contribuyentes a las imágenes borrosas: enfoque, astigmatismo y cambio de imagen.

   "Esta investigación combina avances en la tecnología muscular artificial con la tecnología de metalentes para crear metalentes sintonizables que pueden cambiar su enfoque en tiempo real, al igual que el ojo humano --detalla uno de los investigadores, Alan She, estudiante de posgrado en SEAS--. Vamos un paso más allá para desarrollar la capacidad de corregir dinámicamente afecciones como el astigmatismo y el cambio de imagen, que el ojo humano no puede hacer de manera natural".

   "Esto demuestra la viabilidad del zoom óptico integrado y el enfoque automático para una amplia gama de aplicaciones que incluyen cámaras de teléfonos celulares, anteojos y hardware de realidad virtual y aumentada", destaca otro de los autores, Federico Capasso, profesor de Física Aplicada y 'Vinton Hayes Senior Research Fellow' en Ingeniería Eléctrica en SEAS. "También muestra la posibilidad de microscopios ópticos futuros, que operan completamente de forma electrónica y pueden corregir muchas alteraciones simultáneamente", agrega.

   La Oficina de Desarrollo Tecnológico de la Universidad 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 necesitaron escalar las metalentes, según informan en un artículo publicado en la revista 'Science Advances'. Las metalentes anteriores eran aproximadamente del tamaño de una sola pieza de brillo. Centran la luz y eliminan las anormalidades esféricas a través de un patrón denso de nanoestructuras, cada una más pequeña 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 --subraya--. Si se pasa de una lente de 100 micras a una de tamaño de un centímetro, se aumentará la información necesaria para describirla por diez mil. Siempre que tratemos de ampliar la lente, el tamaño del archivo del diseño solo se ampliaría hasta gigabytes o incluso terabytes".

UNIÓN DE DOS INDUSTRIAS

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

   "Esta investigación ofrece la posibilidad de unificar dos industrias: la fabricación de semiconductores y la fabricación de lentes, por lo que se empleará la misma tecnología utilizada para fabricar chips de ordenador para fabricar componentes ópticos basados en metasuperficie, como lentes", dice Capasso.

   Luego, los investigadores necesitaron adherir las metalentes grandes a un músculo artificial sin comprometer su capacidad de enfocar la luz. En el ojo humano, la lente está rodeada por el 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 en SEAS y pionero en el campo de las aplicaciones de ingeniería de los activadores de elastómeros dieléctricos, también conocidos como músculos artificiales.

   Los científicos eligieron un elastómero dieléctrico delgado y transparente con baja pérdida, lo que significa que la luz viaja a través del material con poca dispersión, para adherirse a la lente. Para hacerlo, necesitaron desarrollar una plataforma para transferir y adherir la lente a la superficie suave.

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

   El elastómero se controla aplicando voltaje. A medida que se estira, cambia la posición de los nanopilares en la superficie de la lente. Las metalentes pueden ajustarse 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 alteraciones causadas por el astigmatismo, así como realizar un cambio de imagen. En conjunto, la lente y el músculo tienen solo 30 micrones de espesor.

   "Todos los sistemas ópticos con múltiples componentes, desde cámaras hasta microscopios y telescopios, tienen ligeras desalineaciones o tensiones mecánicas en sus componentes, dependiendo de la forma en la que fueron construidos y su entorno actual, que siempre causará pequeñas cantidades de astigmatismo y otras alteraciones, que podrían corregirse por un elemento óptico adaptativo", afirma She.

   "Debido a que las metalentes adaptativas son planas, pueden corregir esos trastornos e integrar diferentes capacidades ópticas en un solo plano de control", agrega. A partir de ahora, los investigadores buscarán mejorar aún más la funcionalidad de la lente y disminuir el voltaje requerido para controlarla.