南大&南航&江苏省人医：眼动追踪隐形眼镜，实现高效自然人（脑-眼）机交互

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南京大学/南京航空航天大学/江苏省人民医院徐飞教授、陆延青教授、陈烨研究员、袁松涛主任团队提出了一种具有眼动追踪功能的隐形眼镜。基于频率编码策略，该隐形眼镜具有无线无源、轻量无感、柔软安全的特点，实现高精度的眼动追踪和眼动命令识别。相关成果以“Frequency-encoded eye tracking smart contact lens for human-machine interaction”为题，发表于Nature Communications上【Nature Communications, 2024, 15:3588】。

论文截图

2024年初，Apple公司上市了其首台革命性的空间计算设备Vision Pro。它将数字内容无缝融入真实世界，以最自然、最直观的输入方式——眼睛，为用户带来全新的在混合现实（MR）中的交互体验。这在业界学界中点燃了眼动追踪技术的研发热潮。

可穿戴设备的小型化、轻量化、无感化是该领域的重要发展方向之一。《碟中谍4》中展望了一款具有人脸识别与追踪功能的隐形眼镜，展示了AR设备的终极形态。隐形眼镜作为一种普适的技术，已经在全球范围内被广泛用于视力矫正。隐形眼镜天然与眼睛合为一体，有望实现原位眼动追踪功能，赋能精准实时、轻量无感、自然高效的眼机交互应用，尤其可以闭眼的时候使用。

基于智能隐形眼镜的眼动追踪和眼命令输入

随着柔性光电子技术和曲面共形加工技术的发展，《碟中谍4》中展示的智能隐形眼镜的黑科技正逐步成为现实。研究团队将四个无线射频位置标签封装于医疗级硅橡胶中，经精密曲面封装、表面亲水化，制备和人眼角膜结构相匹配的、透氧水润的眼动追踪隐形眼镜。该位置标签无线无源，无需体积庞大的电池和硅芯片即可向外置阅读装置传输眼动信息，使隐形眼镜柔软轻量、安全无感。

眼动追踪智能隐形眼镜

隐形眼镜经佩戴之后，基于时序眼动追踪算法能够实现高精度的眼动追踪。眼动角精度优于0.5°，这甚至小于中央凹所提供的视角，意味着该隐形眼镜能够准确识别视线聚焦的位置。隐形眼镜工作过程中鲁棒稳定，免疫强光、投影图像、眼睑睫毛遮挡对眼动追踪的干扰。器件的工作频率也规避了常见的电磁干扰，例如手机、路由器等射频信号源。此外，隐形眼镜的生物相容性封装保证了安全性，通过长时间的离体细胞毒性测试以及活体兔眼刺激测试，其安全性和商用隐形眼镜无明显差异。基于该隐形眼镜，联合团队展示了丰富多样的眼机交互应用，例如眼动文字输入、绘画、游戏操控、网页交互、摄像头操控、无人车操控等。

活体兔子眼控无人车

凭借该隐形眼镜准确稳定的无线眼动追踪能力、丰富多样的交互模式、柔软舒适的结构特性以及生物安全的理化性质，研究团队未来将进一步探索其在人（脑-眼）机交互、眼脑医学诊疗、眼-脑科学研究、心理学研究等领域的应用潜力。此外，隐形眼镜能够实现眼部物理-生理-心理多模态信息的实时动态感知，研究团队也实现感知灵敏、抗干扰的无线眼压监测隐形眼镜【DOI: 10.1002/adfm.202400722】【DOI: 10.1021/acssensors.2c01299】，未来将进一步研究眼部人机交互智能装备。

南京大学徐飞教授、陆延青教授、江苏省人民医院袁松涛主任医师、南京航天航空大学陈烨研究员为文章的共同通讯作者，南京大学博士生朱衡天、杨欢和江苏省人民医院博士生徐思琪为文章共同第一作者，马园园、朱书庚、毛正艺对实验作出了重要贡献。江苏省人民医院胡仔仲副主任医师、南京大学江德臣教授、宁兴海教授、熊毅丰助理教授、潘荣容博士、徐郁蕊博士、陈薇薇博士生对实验提供了重要帮助。该研究得到国家自然科学基金委（61925502、62135007、62305153和 22025403）和国家重点研发计划（2021YFA1401103）的支持。

论文信息

发布期刊 Nature Communications

发布时间 2024年4月27日

文章标题 Frequency-encoded eye tracking smart contact lens for human-machine interaction

（https://doi.org/10.1038/s41467-024-47851-y）

研究团队 | 作者

酥鱼 | 编辑

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