一名漸凍癥患者該如何突破身體的桎梏，與外界重建聯(lián)系？眼動(dòng)追蹤技術(shù)成為重要的輔助工具。然而，現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)患者試圖通過(guò)傳統(tǒng)眼動(dòng)追蹤設(shè)備控制輪椅移動(dòng)時(shí)，沉重的頭戴裝置、纏繞的電源線纜與頻繁的低電量提醒，往往在他們與自主行動(dòng)之間豎起了一道“高墻”。
如何讓眼球運(yùn)動(dòng)成為更便捷、更自由的交互方式？近日，青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院教授龍?jiān)茲蓤F(tuán)隊(duì)與合作者，成功研發(fā)出全球首套輕量級(jí)自供能眼球追蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)行電力完全源于使用者眨眼時(shí)隱形眼鏡與眼球摩擦產(chǎn)生的微弱電能。佩戴該系統(tǒng)，漸凍癥患者可直接通過(guò)眼部動(dòng)作控制輪椅等外部設(shè)備，無(wú)需再依賴外接電源。相關(guān)成果近日發(fā)表于《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》。
傳統(tǒng)設(shè)備存在弊端
當(dāng)前主流眼動(dòng)追蹤技術(shù)主要分為兩類。
一類是基于圖像識(shí)別的光學(xué)方案。其精度較高，但設(shè)備需集成紅外光源與多攝像頭，導(dǎo)致設(shè)備笨重、佩戴不適，且持續(xù)紅外照射存在潛在生物安全風(fēng)險(xiǎn)，續(xù)航與運(yùn)行穩(wěn)定性也面臨挑戰(zhàn)。
另一類是基于生物電信號(hào)的傳感方案。該方案通過(guò)在使用者眼周皮膚貼附電極，來(lái)檢測(cè)眼球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的角膜—視網(wǎng)膜電位差變化。然而，該技術(shù)難以精確解析眼球的運(yùn)動(dòng)角度，且信號(hào)易受面部肌肉活動(dòng)或環(huán)境電磁干擾，可靠性與精度有限。
由于現(xiàn)有成熟產(chǎn)品需外接電源，供能問(wèn)題也成為傳統(tǒng)眼動(dòng)追蹤設(shè)備使用的一大阻礙。
基于此，龍?jiān)茲蓤F(tuán)隊(duì)提出了全新思路：讓眼睛自己“發(fā)電”。他們開(kāi)發(fā)出一種基于摩擦電納米發(fā)電機(jī)單電極模式下的自供電眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)。
這套系統(tǒng)具備諸多優(yōu)勢(shì)，它極致輕便，佩戴感與普通眼鏡無(wú)異，且系統(tǒng)運(yùn)行所需電力完全來(lái)自眼球運(yùn)動(dòng)，擺脫了電池束縛，實(shí)現(xiàn)“能量自給”。與此同時(shí)，它還支持高精度檢測(cè)，可精確識(shí)別2度的最小眼偏角度，眼球運(yùn)動(dòng)方向檢測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)99%。
眼睛里建“微型電站”
龍?jiān)茲山榻B，這套系統(tǒng)的研發(fā)靈感，萌芽于一次課題組討論。
“當(dāng)時(shí)我們從一些前沿研究中了解到，摩擦納米發(fā)電機(jī)可應(yīng)用于監(jiān)測(cè)眼球運(yùn)動(dòng)。一位常佩戴隱形眼鏡的學(xué)生提出‘為什么不能直接把裝置做到眼睛里面去’，這個(gè)大膽的設(shè)想一下子點(diǎn)亮了團(tuán)隊(duì)的思路。”龍?jiān)茲烧f(shuō)，如同冬天脫毛衣時(shí)會(huì)產(chǎn)生“噼啪”靜電，眨眼時(shí)眼球與隱形眼鏡的摩擦也會(huì)產(chǎn)生微弱電荷。
基于摩擦納米發(fā)電機(jī)原理，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)“隱形眼鏡+框架眼鏡”的雙層協(xié)同系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)摩擦起電與靜電感應(yīng)機(jī)制，可將眨眼時(shí)隱形眼鏡與眼球摩擦產(chǎn)生的微弱機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為電能，在簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)提升信號(hào)靈敏度。
“其工作機(jī)制猶如在眼睛里搭建一座‘微型電站’。”龍?jiān)茲烧f(shuō)，這座“電站”內(nèi)部同時(shí)集成了“發(fā)電機(jī)組”和“信號(hào)發(fā)射臺(tái)”。其中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料如同隱形眼鏡貼附于使用者眼球表面，是一臺(tái)“微型摩擦發(fā)電機(jī)”，每當(dāng)使用者眨眼或轉(zhuǎn)動(dòng)眼球，眼球與PDMS材料之間便通過(guò)摩擦持續(xù)產(chǎn)生電荷。與此同時(shí)，一副鏡片四周嵌有透明氧化銦錫（ITO）電極的眼鏡則扮演著“信號(hào)發(fā)射臺(tái)”的角色。透明電極通過(guò)靜電感應(yīng)精準(zhǔn)捕捉電荷分布和變化，并將其實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化成可識(shí)別的電信號(hào)，再經(jīng)由控制電路傳導(dǎo)到外部設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操控。
要使這一系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，材料選擇尤為關(guān)鍵。摩擦層PDMS膜需兼具高透光率、高強(qiáng)度、生物相容性和疏水性，以確保在濕潤(rùn)的眼部環(huán)境中穩(wěn)定工作并耐受摩擦。ITO電極則必須在保持高透光率的同時(shí)，具備優(yōu)異的導(dǎo)電性以靈敏捕捉微弱的電場(chǎng)變化。
研發(fā)之路并非坦途。這一設(shè)想最初即便在團(tuán)隊(duì)內(nèi)部也遭遇了質(zhì)疑：依賴人體自身微弱生物能的設(shè)計(jì)，能否安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)？通過(guò)自主設(shè)計(jì)并迭代改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，團(tuán)隊(duì)最終以扎實(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了路徑的可行性。
拓展輔助交互新場(chǎng)景
該項(xiàng)目匯聚物理科學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、微電子與控制工程等多領(lǐng)域?qū)＜业闹腔?，并得到香港科技大學(xué)教授范智勇團(tuán)隊(duì)的支持。“這是一個(gè)典型的學(xué)科交叉創(chuàng)新項(xiàng)目，沒(méi)有跨學(xué)科的緊密協(xié)作和學(xué)校的支持，這個(gè)構(gòu)想難以落地。”龍?jiān)茲烧f(shuō)。
目前，該技術(shù)雖尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，但在醫(yī)療康復(fù)、消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域擁有廣闊應(yīng)用前景。這項(xiàng)技術(shù)不僅有望為行動(dòng)受限群體打開(kāi)一扇無(wú)障礙溝通的新窗口，更將為人類與智能設(shè)備交互的方式書(shū)寫(xiě)全新底層邏輯。
龍?jiān)茲山榻B，在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，它有望為漸凍癥等運(yùn)動(dòng)功能障礙患者帶來(lái)突破性輔助解決方案，患者僅通過(guò)自然的眼球轉(zhuǎn)動(dòng)，即可控制輪椅，操作電腦等智能設(shè)備，從而顯著提升生活自主性與尊嚴(yán)感。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，該技術(shù)與VR或AR設(shè)備的結(jié)合將催生真正“解放雙手”的沉浸式交互體驗(yàn)。在太空作業(yè)、智能駕駛等對(duì)操作安全性、精確性要求極高的領(lǐng)域，它同樣具備應(yīng)用前景。
同時(shí)，該研究為“自供能生物電子學(xué)”這一前沿方向提供了技術(shù)支撐。未來(lái)，此類技術(shù)不僅有望讓機(jī)器人獲得更接近人類的感知能力，也可能幫助人類通過(guò)自供能電子器件來(lái)增強(qiáng)或修復(fù)身體功能，開(kāi)辟人機(jī)融合的新路徑。
這項(xiàng)技術(shù)要從實(shí)驗(yàn)室走向廣泛應(yīng)用，還需跨越產(chǎn)業(yè)化的一系列挑戰(zhàn)，包括系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠性驗(yàn)證、醫(yī)療器械合規(guī)及與產(chǎn)業(yè)生態(tài)的融合等。“我們正積極與相關(guān)企業(yè)對(duì)接，探索合作路徑，并積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。”研究團(tuán)隊(duì)核心成員、青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院特聘教授張俊說(shuō)