Kontakt Lensler ile Artırılmış Gerçeklik

Artırılmış gerçeklik gerçek dünyadaki görünen nesnelerin üzerine dijital ortamdan elde edilmiş verilerin yerleştirilmesiyle gerçekleşen bir sanal gerçeklik uygulamasıdır. Bu teknoloji, kontakt lensler ile birleştirildiğinde günlük hayatta gözümüzle algıladığımız görüntülerin üzerine istenilen verilerin eklenmesini sağlıyor. Yeni nesil kontakt lensler uygulamayı gerçekleştirebilmek için çok küçük ölçekli elektronik devrelerle inşa ediliyor.

20

İnsan gözü biyonik olarak algısal bir güç merkezidir. Milyonlarca rengi ayırt edebilir, ani ışık yoğunluğu değişimlerinde oldukça hızlı bir şekilde uyum sağlar ve günümüz yüksek hızlı internetin veri aktarım hızından daha yüksek hızlarda beyne veri iletimini gerçekleştirir.

Peki bu kadar yüksek teknoloji seviyesinde biyolojik donanımı barındıran gözlerimiz neden bu kadarını yapmakla sınırlı kalsın?

Terminatör serisinde Arnold Schwarzenegger'in canlandırdığı karakter görüş alanına giren nesnelere baktığında üzerlerine bindirilmiş verilerle birlikte görüyordu. Bilim kurgu yazarı Vernor Vinge tarafından yazılan hikayelerde karakterler kendileri için gerekli olan bilgilere ulaşmak için akıllı telefonları ya da beyin implantları yerine gözlerindeki elektronik kontakt lenslere güveniyorlar.

 

Bu görüntüleme tekniği inanılmaz gibi görülebilir fakat günümüzde basit elektronik devrelerle entegre edilmiş kontakt lensler çoktan ulaşılabilir bir hal aldı. Bu lensler bize etrafa bir kartal görüşüyle bakma ya da etrafımızdaki nesneleri üzerlerinde aktif çalışan altyazılarla görme fırsatı vermez. Fakat araştırmacılar LED ile inşa edilmiş lensleri RF kablosuz haberleşme sistemi ile güçlendiriyor.  Gerçekleştirilen bu gelişmelerle yukarıda bahsettiğimiz sistemler de yakında bu teknolojilerle birlikte mümkün olacak.

Günlük hayatta kullanılan sıradan kontakt lensler göz bozukluklarını düzeltmek için belirli özel şekillerde tasarlanmış polimer malzemelerdir. Lensin bu işlevini fonksiyonel bir işleve dönüştürmek için özel olarak tasarlanmış optoelektronik bileşenler kullanılarak lensin içine minimize edilmiş kontrol devreleri, haberleşme devreleri ve minyatür dalga yayıcı entegreler yerleştirilmiştir. Bu komponentlerin oluşturduğu yapılar en sonunda gözün önünde kelimelerin, tabloların ve fotoğrafların oluşmasını sağlayan yüzlerce LED içerir. Lensteki donanımın büyük bir kısmı yarı şeffaftır. Böylelikle kullanıcılar kendi çevrelerini kafa karışıklığı yaşamadan seyredebilirler. Büyük bir olasılıkla ayrı bir taşınabilir aygıt görüntülenebilir bilgileri lenste bulunan optoelektronik olarak çalışan lens kontrol devresine iletecektir.

 

Bu kontakt lenslerin kullanışlı olabilmeleri için çok kompleks yapıda olmalarına gerek yoktur. Lensler tek bir piksel ile donatılmış olsa bile lens duyma bozukluğu olan insanlara yardımcı olabilir ya da bilgisayar oyunlarının içerisine bir gösterge olarak dahil edilebilir. Daha fazla renk ve piksel içeren bir repertuarla lens, metin ve gerçek zamanlı çeviri ya da bir navigasyon sisteminin görsel ipuçlarını görüntüleme sistemleriyle genişletilebilir.

Görsel iyileştirmenin yanı sıra kullanıcının biyo göstergesinin müdahalesiz görüntülemesi ve sağlık tabanlı göstergeleriyle gelecekte çok büyük bir pazara sahip olabilir. Mühendisler glikoz gibi moleküllerin konsantrasyonunu tespit edebilen birkaç basit sensör inşa ettiler. Lensler üzerine inşa edilen sensörler özellikle diyabet hastası olan kullanıcıların parmaklarına iğneler batırarak acı çekmelerine gerek kalmadan kan şekeri düzeylerini görüntülemelerine izin verir. Glikoz dedektörleriyle nelerin mümkün olabileceği değerlendirildiğinde önümüzdeki 5-10 yıl içerisinde çok farklı noktalara ulaşacağı görünüyor. Örneğin bir kan testine ihtiyacınız olduğunda doktorunuz kan dolaşımı düzeyleri ile yakından ilişkili olan gözünüzün üzerindeki canlı hücrelerden birçok değerin ölçümünü gerçekleştirir. Buna uygun bir şekilde yapılandırılmış olan kontakt lens kullanıcının kolesterol, sodyum ve potasyum seviyeleri gibi verileri görüntüleyebilir. Sistem kablosuz bir veri transfer cihazı ile birleştirildiğinde lens, iğne ile kan testi veya labaratuvarda yapılabilecek bir kimyasal test sonucuna gerek duymadan bu bilgileri herhangi bir kafa karışıklığına neden olmaksızın doğrudan doktorlara, hemşirelere ya da bir sağlık görevlisine bildirebilir.

 

Kontakt lensin inşasında üç temel zorlukla karşılaşılmaktadır. İlk olarak, lensin ve alt sistemlerinin yapımı aşamasındaki işlemler birbirleriyle ve lensin kırılgan polimer yapısı ile uyumlu değildir. Bu sorunu aşabilmek için proje yetkilisi mühendisler tarafından sıfırdan bir cihaz geliştirildi. Silikon devreler ve LED'ler için komponentler üretmek için yetkililer yüksek sıcaklıklarda çalışarak aşındırıcı kimyasallar kullanıyor. Bu da demek oluyor ki komponentler doğrudan bir lens üzerinde üretilemiyor. Bu sorun da beraberinde ikinci sorunu getirir. Üretimde karşılaşılan ikinci zorluk ise lensin tüm bileşenlerinin  1.5 cm²'lik bir alan üzerinde esnek ve şeffaf polimerler malzemelerle minimize bir şekilde entegre edilmesinin gerekliliğidir. Mühendisler bu sorunu tam olarak çözmüş değiller fakat lens üzerine yerleştirilecek komponentleri birkaç farklı şekilde entegre edilmesini sağlayacak kendi özel montaj sistemlerini geliştirdiler. Üretimde karşılaşılan sonuncu ama son derece de önemli olan sıkıntı ise lens mekanizmasının tamamen güvenli bir şekilde göze yerleştirilmesidir. Örnek olarak LED'leri ele alacak olursak çoğu kırmızı LED toksik alüminyum galyum arsenitten üretilmektedir. Bu yüzden LED'lerin göze takılacak hali almadan önce biyo uyumlu bir madde ile sarılmaları gerekmektedir.

 

Mühendisler kontakt lens üzerindeki devreleri oluşturmak için gerekli olan tüm mikrometre ölçekli metal ara bağlantılarını ve LED'li bir prototip lens inşa ettiler. Lenslerin güvenilebilir olduğunu kanıtlayabilmek için araştırmacılar biyo uyumlu yapıyı canlı tavşanlar üzerinde test ettiler.

LED'lerin kullanıldığı uygulamada makul bir başarı elde edildi ancak araştırmacıların asıl hedefleri lenste yararlı, kullanılabilir veriler görüntüleyebilmek. Neyse ki, insan gözü iyi derecede hassas bir fotodedektör. Bulutsuz bir günde tam öğle vaktinde, insan göz bebeğine yoğun miktarda ışık akışı gerçekleşir ve gözler çevresindeki varlıkları oldukça parlak bir şekilde görür. Lens sadece içerisinden birkaç mikrowatt'lık optik güç geçişi gerçekleştiğinde görüntüleri algılayabilir fakat gözün böyle bir optik güce ihtiyacı yoktur. Bir LCD ekran bu konuda oldukça savurgan davranmaktadır.  Çok fazla sayıda foton gönderir fakat bunlardan sadece bir kısmı gözümüze girer ve retinaya ulaşarak görüntüyü oluşturur. Ancak ekran görüntüsü direk olarak korneaya ulaştığında, LCD ekranda oluşturulan bütün fotonlar görüntünün oluşturulmasına yardımcı olur.

Bu yaklaşımın getirdiği fayda açıkça ortadadır: Işık harici bir kaynak aracılığıyla göz bebeğinize geldiğinde görüntüyü görebilmeniz için çok daha az miktarda güç gerekir.

 

Göz, lensten ışığı nasıl alacak?

Araştırmacıların bu konuda iki temel yaklaşımı bulunmakta. İlk seçenek lensin içerisine biz dizi LED piksellere dayalı bir ekran kurmak. Alternatif olarak ikinci seçenek ise tercihen sadece gelen ışığı modüle eden pasif pikseller kullanmak. Basit bir anlatımla açıklayacak olursak bu pasif pikseller harici ışık kaynağından gelen ışığa tepki olarak kendi renklerini ve saydamlıklarını değiştirerek bir görüntü oluştururlar. Kontakt lensteki pasif pikseller için ışık kaynağı ortam olacaktır. Araştırmacılar sonuç olarak aktif bir yaklaşım izlediler ve 8x8 LED dizisi yerleştirilen lensler ürettiler. Şuan için aktif pikselli lensler üretmek çok daha kolay görünüyor. Fakat pasif pikselli lensler kullanılması lensin ortalama güç tüketimini de oldukça azaltıyor. En çok merak edilen konulardan biri ise lensi takan kişinin gözbebeğinin önündeki lenste oluşan görüntülere nasıl odaklanacağı. Bu sorunun cevabını da aşağıdaki açıklamada verdik.

 

Kullanıcı gözbebeğinin önündeki lenste oluşan görüntülere nasıl odaklanacak?

İnsan gözü, ne kadar mükemmel sistemleri yapısında barındırsa bile sağlıklı bir insan gözü, korneaya 10 santimetreden daha yakın olan nesnelere odaklanmakta oldukça zorlanır.  LED'ler kullanıcının görüş alanında kendi başlarına sadece renkli bir bulanık leke üretirler. Bir şekilde oluşacak görüntünün korneadan uzak bir noktaya itilmesi gerekir. Bunu gerçekleştirmenin bir yolu kontakt lens üzerine yerleştirilecek olan mercekler dizisinin kullanılmasıdır. Odaklanılabilir keskin görüntüler elde etmenin bir başka yolu da tarayıcı mikro lazer ya da mikro lazer dizileri kullanmaktır. Lazer ışınları LED ışınlarına göre çok daha az miktarda sapma oranına sahiptirler ve böylelikle göz bebeği önünde keskin bir görüntü elde edilmiş olur.

Kullanıcıların lensi taktıklarında da etraflarındaki görüntüleri net bir şekilde görebilmeleri için lenste görüntünün oluşturulduğu malzeme yarı saydam olmak zorundadır. Böyle bir malzeme üretmek de oldukça zor fakat imkansız olmayan bir olaydır.

 

Lens enerjisini nereden sağlayacak?

Bu lensler de tüm mobil elektronik cihazlar gibi uygun kaynaklar tarafından beslenmek zorundadır fakat böyle bir cihazda kaynağın yerleştirileceği alan oldukça kısıtlıdır. Kaynaklarda oluşabilecek sıkıntıları örneklendirecek olursak minimizasyonları oldukça zordur ve şarj gerektirirler. Ayrıca olumsuz bir durumda lensi takan kullanıcının geçirebileceği kaza sonrası gözünün etrafında doluşan lityum iyonlarını görmek oldukça korkutucu bir durum. Kaynak elde etmede daha iyi bir yöntem olarak ortamdaki titreşimi enerjiye dönüştürmek, güneş enerjisinden bir kaynak sağlamak veya RF enerjisini kaynak olarak kullanmak sunulabilir. Sunulan bu alternatifler arasında titreşimden elde edilen enerjinin miktarı oldukça düşük değerlerdedir bu yüzden bunun yerine güneş veya RF enerjisi tercih edilir.

 

Farz edelim ki 1 cm²'lik bir lens alanı güneş hücreleri ile donatılarak elektrik enerjisi üretmek için tahsis edilmiş olsun. Böyle bir durumda lensin üzerine gelen enerjiden ortalama 300 mikrowatt'lık bir enerji elde edilebilir. Açık havalarda bu enerji potansiyel olarak çok daha yüksek değerlere ulaşabilir.

Bütün bu çalışan alt sistemlerin bulunmasıyla birlikte, yapılacak olan son işlem olarak bu sistemlerin hepsini küçük polimer diske sığdırmak kalıyor. Burada lensin içerisine sığdırılması gereken, yukarıda işlevleri verilen, birçok parça bulunuyor. Kullanılan çoğu yarı iletken parçaların üretim süreçleri kontakt lensin esnek polimer alt tabakasıyla birlikte gelen kimyasal ve termal uyumsuzluklardan dolayı işlemiyor. Bu sorunu aşabilmek için sistemden bağımsız bir şekilde mikro komponentlerin bir çoğu, LED'ler ve bazı biyo sensörler silikon devre levhası üzerinde üretiliyor. Her bölümün kendine özgü devre bağlantıları bulunmaktadır ve bu bağlantıların levha üzerine benzersiz bir şekilde  baskısı gerçekleştirilmiştir.

 

Burada fonksiyonel bir kontakt lens üretilebilmesi için gerekli olan tüm temel teknolojilerden  bahsettik. Bu teknolojilerin güvenilirliği birkaç kobay üzerinde test edildi ve başarılı sonuçlar alındı. Her teknolojik cihazda olduğu gibi bu teknolojide de geliştirilebilir birçok detay var. Bundan sonra yapılacak olan çalışmalar tüm alt sistemlerde kullanılan bileşenleri çok daha küçültmeye çalışmak ve özellikle RF güç kaynağı kullanımındaki alıcıların verimlerini ve menzillerini artırmak. Şuan basit bir sistem olan tek bir ışık kaynağıyla oluşturulan kontakt lens ile yola başlanıldı fakat daha ilerisi için sistem üzerinde çalışan mühendislerin hedefi bilgisayar tarafından oluşturulan yüksek çözünürlüklü renkli grafikleri üst üste gösterebilen sofistike kontakt lensler tasarlamak.

 

Kaynak: spectrum.ieee

 

Yazar: Muhammed Ahmet ALKAN