“眨眨眼”就能操控輪椅？青島大學(xué)聯(lián)合港科大攻克眼球追蹤“黑科技”

搜狐科技《思想大爆炸——對(duì)話(huà)科學(xué)家》欄目第146期，對(duì)話(huà)青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院先進(jìn)納米纖維創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)龍?jiān)茲?/strong>。

嘉賓簡(jiǎn)介：

龍?jiān)茲桑?/strong>教授，博導(dǎo)，青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院先進(jìn)納米纖維創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)，山東省中法納米纖維和光電器件合作研究中心主任，國(guó)際先進(jìn)材料學(xué)會(huì)會(huì)士。主要研究方向?yàn)橐劳杏陟o電紡絲以及溶液噴紡技術(shù)制備微納米纖維膜，并研究其在生物醫(yī)學(xué)、催化降解、納米能源、海水淡化以及空氣過(guò)濾等方面的應(yīng)用；以及利用綜合物性測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試材料在不同環(huán)境下的物理性能。

• 眼球追蹤系統(tǒng)在檢測(cè)眼球運(yùn)動(dòng)方向方面準(zhǔn)確率達(dá)99%，對(duì)改善癱瘓人士或運(yùn)動(dòng)功能障礙者的生活質(zhì)量非常有幫助。

• 和VR眼鏡結(jié)合，眼球追蹤系統(tǒng)可使用戶(hù)僅通過(guò)眼球的偏轉(zhuǎn)就能控制VR顯示內(nèi)容的變化，為未來(lái)人機(jī)交互提供了更加多元的選擇，也有望應(yīng)用于太空和智能駕駛領(lǐng)域，最終解放雙手。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

眨一下眼，能做什么？

對(duì)于許多肢體癱瘓的患者而言，世界仿佛被困在一具靜止的身體里，但他們的目光仍然渴望表達(dá)和探索。現(xiàn)如今，眨一下眼，不僅能夠“說(shuō)話(huà)”，還能為輪椅“賦能”。

近日，青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院先進(jìn)納米纖維創(chuàng)新研究院院長(zhǎng)龍?jiān)茲山淌趫F(tuán)隊(duì)與合作者，成功研制出一套輕量級(jí)自供能眼球追蹤系統(tǒng)。其運(yùn)行所需的能量，完全源自眼瞼眨動(dòng)時(shí)與眼球摩擦產(chǎn)生的微量電能。

目前，該研究發(fā)表在《細(xì)胞報(bào)告·物理科學(xué)》期刊。

僅靠眼瞼眨動(dòng)與眼球的摩擦如何驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)？這項(xiàng)技術(shù)有哪些優(yōu)勢(shì)？能應(yīng)用于哪些場(chǎng)景？帶著這些問(wèn)題，搜狐科技對(duì)話(huà)了青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院龍?jiān)茲山淌凇?/p>

與隱形眼鏡和普通鏡框眼鏡相似

對(duì)此，龍?jiān)茲杀硎荆?dāng)前主流的眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，通常采用紅外傳感和圖像采集技術(shù)，體積龐大且重量過(guò)重，長(zhǎng)時(shí)間佩戴，很容易產(chǎn)生疲勞。而且持續(xù)的紅外光照射也會(huì)對(duì)我們的視網(wǎng)膜造成不可逆的傷害，加之電池容量的限制，很難長(zhǎng)期佩戴。

相比之下，龍?jiān)茲杀硎荆鋱F(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的輕量級(jí)自供能眼球追蹤系統(tǒng)，在日常使用中更容易佩戴，設(shè)備輕巧，與普通隱形眼鏡和鏡框眼鏡相似，不會(huì)引起不適。

據(jù)介紹，這項(xiàng)研究主要是將摩擦電納米發(fā)電機(jī)電極與普通眼鏡的框架結(jié)合，或者貼在眼睛周?chē)钠つw上，通過(guò)捕捉眼部肌肉的細(xì)微運(yùn)動(dòng)、眼周皮膚上的感應(yīng)電荷信號(hào)，轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互功能。

而之所以?xún)H靠“眼瞼眨動(dòng)與眼球的摩擦”就能產(chǎn)生足夠的電能來(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，關(guān)鍵就在于患者眼鏡上的電極感應(yīng)矩陣和眼球上類(lèi)似于隱形眼鏡的摩擦層（材料是聚二甲基硅氧烷PDMS）。

自供能眼球追蹤系統(tǒng)原理 受訪者供圖

當(dāng)患者眨眼時(shí)，附著在眼球表面的類(lèi)似于隱形眼鏡的摩擦層與眼皮互相摩擦，使其表面積累大量負(fù)電荷。

當(dāng)眼球向上轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，表面帶有負(fù)電荷的隱形眼鏡摩擦層通過(guò)靜電感應(yīng)會(huì)在患者眼鏡上方的電極感應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)，而當(dāng)眼球向左、向右偏轉(zhuǎn)時(shí)，也會(huì)在相對(duì)應(yīng)的電極上感應(yīng)產(chǎn)生相同的電信號(hào)。

“我們將眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，就可利用眼球運(yùn)動(dòng)來(lái)控制輪椅運(yùn)動(dòng)。當(dāng)眼球偏轉(zhuǎn)時(shí)，眼鏡上的感應(yīng)電極上產(chǎn)生的電信號(hào)傳輸?shù)轿⒖刂破鞯亩丝冢脕?lái)控制輪椅的移動(dòng)。”龍?jiān)茲山忉屨f(shuō)。

值得一提的是，這一系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)2°的最小眼偏角度的檢測(cè)，并且在檢測(cè)眼球運(yùn)動(dòng)方向方面也具有99%的準(zhǔn)確率。

可以說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)為漸凍癥患者那樣的特殊群體與智能設(shè)備的交互開(kāi)辟了新的路徑。

“那些手腳不方便、語(yǔ)音溝通不暢的病人，通過(guò)眼球的偏轉(zhuǎn)就可以控制輪椅的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的操作，這對(duì)改善癱瘓人士或運(yùn)動(dòng)功能障礙者的生活質(zhì)量是非常有幫助的。”龍?jiān)茲扇缡钦f(shuō)。

三年前組會(huì)上的一次頭腦風(fēng)暴

其實(shí)這項(xiàng)研究的開(kāi)始也很有偶然性。

“我們團(tuán)隊(duì)在納米傳感器、摩擦電納米發(fā)電機(jī)、生物醫(yī)學(xué)等方面都有較好的研究基礎(chǔ)，三年前的一次組會(huì)上，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研得知摩擦電納米發(fā)電機(jī)可以應(yīng)用于眼球運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，我們就進(jìn)行了頭腦風(fēng)暴，經(jīng)過(guò)討論，都覺(jué)得這個(gè)方向比較前沿，而且實(shí)際應(yīng)用意義還是蠻大的。”

“碩士研究生吳林鑫就開(kāi)始了這項(xiàng)研究，他也是文章的一作，而且研究過(guò)程中，合作伙伴香港科技大學(xué)的范智勇教授課題組也給予了很多具體建議和幫助。”龍?jiān)茲芍v述道。

龍?jiān)茲晒膭?lì)學(xué)生大膽嘗試，但光想也是不夠的，還需要有條件來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)最開(kāi)始的驗(yàn)證環(huán)節(jié)，他們一點(diǎn)點(diǎn)把裝置搭起來(lái)，包括進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)的眼鏡模型也是親手制作的。

當(dāng)然，在這個(gè)過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)也遇到了很多困難。

“可以說(shuō)，這種將隱形眼鏡和患者佩戴的普通眼鏡相結(jié)合的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)創(chuàng)新，但這個(gè)想法是不是可行，大家剛開(kāi)始都是持懷疑態(tài)度的。”龍?jiān)茲商寡浴?/p>

后來(lái)，他們通過(guò)自制和不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置，以及多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了這個(gè)方案是切實(shí)可行的。

不過(guò)，龍?jiān)茲煞Q(chēng)目前雖然已經(jīng)用兔子做了活體實(shí)驗(yàn)，但還沒(méi)有用于人體實(shí)驗(yàn)。

面對(duì)網(wǎng)友擔(dān)心的隱私問(wèn)題，龍?jiān)茲煞Q(chēng)這個(gè)系統(tǒng)只是利用了眼球跟隱形眼鏡的摩擦起電能量，追蹤眼球向左向右、向上向下的轉(zhuǎn)動(dòng)，并不會(huì)采集個(gè)人生物信息和行為隱私。

未來(lái)可融合VR

也能應(yīng)用于太空與智能駕駛領(lǐng)域

除了控制輪椅和輔助交流，這個(gè)系統(tǒng)還可以和VR眼鏡結(jié)合起來(lái)，讓用戶(hù)僅通過(guò)眼球的偏轉(zhuǎn)就能控制VR顯示內(nèi)容的變化，告別了設(shè)備笨重的問(wèn)題，也為未來(lái)人機(jī)交互提供了更加多元的選擇。

不僅如此，最令人興奮的莫過(guò)于它還能應(yīng)用在太空和智能駕駛領(lǐng)域。

“在太空需要穿著厚厚的宇航服，不太好操作儀器儀表，如果通過(guò)眼球運(yùn)動(dòng)來(lái)控制某些操作就能大大解放雙手；再比如遇到交通事故，如果手腳被卡住了，通過(guò)眼球運(yùn)動(dòng)來(lái)發(fā)送求救信號(hào)也是非常必要的。”龍?jiān)茲膳e例道。

此外，在“自供能”生物電子學(xué)領(lǐng)域，一個(gè)重要的應(yīng)用方向就是人形機(jī)器人，要讓機(jī)器人的器官或者部位，比如像電子皮膚，更接近真實(shí)的人類(lèi)，還要讓機(jī)器人有真實(shí)人類(lèi)的溫存與情感。同時(shí)，人類(lèi)的某些器官或者部位也很有可能被“自供能”生物電子所取代。

當(dāng)然，大家最關(guān)心的問(wèn)題還是什么時(shí)候可以落地量產(chǎn)。

對(duì)此，龍?jiān)茲杀硎荆壳八麄冎皇菍⒁环N創(chuàng)新性的科學(xué)想法通過(guò)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了技術(shù)驗(yàn)證，向大家展示了一種自供電眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，利用眨眼的能量和眼球運(yùn)動(dòng)來(lái)操控輪椅移動(dòng)的可能性。

如果做成產(chǎn)品，材料與裝置方面的完善工作是必不可少的，可能還需要一段足夠長(zhǎng)的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，如果涉及到醫(yī)療器械批號(hào)的審批，需要的時(shí)間和成本還會(huì)增加。

“不過(guò)，這個(gè)自供電眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)的材料成本其實(shí)并不算高，也還比較容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。”龍?jiān)茲裳a(bǔ)充道。

未來(lái)，他們也希望能跟有關(guān)企業(yè)一起合作，完善材料與裝置，開(kāi)展動(dòng)物和人體實(shí)驗(yàn)，繼續(xù)探索新的應(yīng)用場(chǎng)景，努力實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化。

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