Wie kann die Lichtempfindlichkeit von künstlichen optischen Systemen mit Lichtsensoren verbessert werden – unabhängig von elektronischen Komponenten? Mit dieser Frage beschäftigen sich Forscher der University of Wisconsin seit einigen Jahren. Nun scheint ihnen ein weiterer Schritt gelungen zu sein auf dem Weg zu ihrem Ziel: einer Kontaktlinse der Zukunft, die sich individuell an ihren Träger und die Bedingungen der Umgebung anpasst. Im Magazin "Proceedings of the National Academy of Sciences" präsentieren sie eine rein optische Möglichkeit, die Lichtempfindlichkeit von Miniatursensoren zu erhöhen. Auch andere Technologien, deren Lichtempfindlichkeit an physikalische Grenzen stößt, könnten mit der neuen optischen Methode stark verbessert werden, so die Forscher.

Vorbild dafür ist der Elefantenrüsselfisch und dessen nahezu perfekte Fähigkeit, Feinde auch in trüben Gewässern schnell zu erkennen. Wie das funktioniert, war Forschern lange ein Rätsel: Seine Netzhaut schien auf den ersten Blick dafür überhaupt nicht geeignet zu sein. Vor einiger Zeit gelang dem Bonner Zoologen Gerhard von der Emde mit Kollegen ein Durchbruch. Dem Wissenschaftler war die seltsame Netzhaut dieser in Afrika beheimateten Fische schon lange aufgefallen: Hinter der Retina finden sich unter anderem Zehntausende becherartiger Vertiefungen, an deren Boden sich jeweils etwa 30 farberkennende Rezeptoren befinden. Wie sollte das Licht ausgerechnet in diese Tiefen vordringen?

Die Zoologen fanden schließlich heraus, dass der Boden dieser Netzhautvertiefungen die Form eines Parabolspiegels hat und ihre Wände mit spiegelnden Kristallen ausgekleidet sind. Das einfallende Licht wird also reflektiert und am Boden der Vertiefungen auf die Rezeptoren gelenkt: ein optischer Lichtverstärker.

Auge des Rüsselfischs
© Andreas Reichenbach / Uni Leipzig
(Ausschnitt)
 Bild vergrößernAuge des Rüsselfisches
Blick mit dem Mikroskop in die becherförmigen Netzhautstrukturen des Elefantenrüsselfisches.

Nach diesem Vorbild haben die Forscher um Hongrui Jiang nun ein Design für besonders kleine und extrem lichtempfindliche Sensoren entwickelt: Diese bestehen aus tausenden sehr kleinen Lichtkollektoren mit fingerartigen Ausstülpungen und Innenseiten aus reflektierendem Aluminium. Hereinfallendes Licht trifft auf diese Finger und wird dann von den reflektierenden Seitenwänden gebündelt.

Parallel dazu entwickeln die Forscher derzeit die anderen Bestandteile ihrer Kontaktlinse der Zukunft: elektronische Mini-Schaltkreise, eine Stromquelle in Form einer winzigen Solarzelle, die algorithmische Steuerung der Sensoren und nicht zuletzt das Material der Linse. Einen ersten Prototyp für klinische Studien könnte es in etwa zehn Jahren geben, kündigte Jiang an.