“眨眨眼”就能操控轮椅？青岛大学联合港科大攻克眼球追踪“黑科技”

搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第146期，对话青岛大学物理科学学院先进纳米纤维创新研究院院长龙云泽。

嘉宾简介：

龙云泽，教授，博导，青岛大学物理科学学院先进纳米纤维创新研究院院长，山东省中法纳米纤维和光电器件合作研究中心主任，国际先进材料学会会士。主要研究方向为依托于静电纺丝以及溶液喷纺技术制备微纳米纤维膜，并研究其在生物医学、催化降解、纳米能源、海水淡化以及空气过滤等方面的应用；以及利用综合物性测量系统测试材料在不同环境下的物理性能。

• 眼球追踪系统在检测眼球运动方向方面准确率达99%，对改善瘫痪人士或运动功能障碍者的生活质量非常有帮助。

• 和VR眼镜结合，眼球追踪系统可使用户仅通过眼球的偏转就能控制VR显示内容的变化，为未来人机交互提供了更加多元的选择，也有望应用于太空和智能驾驶领域，最终解放双手。

出品｜搜狐科技

作者｜周锦童

编辑｜杨 锦

眨一下眼，能做什么？

对于许多肢体瘫痪的患者而言，世界仿佛被困在一具静止的身体里，但他们的目光仍然渴望表达和探索。现如今，眨一下眼，不仅能够“说话”，还能为轮椅“赋能”。

近日，青岛大学物理科学学院先进纳米纤维创新研究院院长龙云泽教授团队与合作者，成功研制出一套轻量级自供能眼球追踪系统。其运行所需的能量，完全源自眼睑眨动时与眼球摩擦产生的微量电能。

目前，该研究发表在《细胞报告·物理科学》期刊。

仅靠眼睑眨动与眼球的摩擦如何驱动整个系统？这项技术有哪些优势？能应用于哪些场景？带着这些问题，搜狐科技对话了青岛大学物理科学学院龙云泽教授。

与隐形眼镜和普通镜框眼镜相似

对此，龙云泽表示，当前主流的眼动追踪系统，通常采用红外传感和图像采集技术，体积庞大且重量过重，长时间佩戴，很容易产生疲劳。而且持续的红外光照射也会对我们的视网膜造成不可逆的伤害，加之电池容量的限制，很难长期佩戴。

相比之下，龙云泽表示，其团队开发的轻量级自供能眼球追踪系统，在日常使用中更容易佩戴，设备轻巧，与普通隐形眼镜和镜框眼镜相似，不会引起不适。

据介绍，这项研究主要是将摩擦电纳米发电机电极与普通眼镜的框架结合，或者贴在眼睛周围的皮肤上，通过捕捉眼部肌肉的细微运动、眼周皮肤上的感应电荷信号，转换为控制信号，从而实现人机的交互功能。

而之所以仅靠“眼睑眨动与眼球的摩擦”就能产生足够的电能来驱动整个系统，关键就在于患者眼镜上的电极感应矩阵和眼球上类似于隐形眼镜的摩擦层（材料是聚二甲基硅氧烷PDMS）。

自供能眼球追踪系统原理 受访者供图

当患者眨眼时，附着在眼球表面的类似于隐形眼镜的摩擦层与眼皮互相摩擦，使其表面积累大量负电荷。

当眼球向上转动时，表面带有负电荷的隐形眼镜摩擦层通过静电感应会在患者眼镜上方的电极感应产生电信号，而当眼球向左、向右偏转时，也会在相对应的电极上感应产生相同的电信号。

“我们将眼动追踪系统与物联网相结合，就可利用眼球运动来控制轮椅运动。当眼球偏转时，眼镜上的感应电极上产生的电信号传输到微控制器的端口，用来控制轮椅的移动。”龙云泽解释说。

值得一提的是，这一系统能够实现2°的最小眼偏角度的检测，并且在检测眼球运动方向方面也具有99%的准确率。

可以说，这项技术为渐冻症患者那样的特殊群体与智能设备的交互开辟了新的路径。

“那些手脚不方便、语音沟通不畅的病人，通过眼球的偏转就可以控制轮椅的移动，实现计算机的操作，这对改善瘫痪人士或运动功能障碍者的生活质量是非常有帮助的。”龙云泽如是说。

三年前组会上的一次头脑风暴

其实这项研究的开始也很有偶然性。

“我们团队在纳米传感器、摩擦电纳米发电机、生物医学等方面都有较好的研究基础，三年前的一次组会上，通过文献调研得知摩擦电纳米发电机可以应用于眼球运动监测，我们就进行了头脑风暴，经过讨论，都觉得这个方向比较前沿，而且实际应用意义还是蛮大的。”

“硕士研究生吴林鑫就开始了这项研究，他也是文章的一作，而且研究过程中，合作伙伴香港科技大学的范智勇教授课题组也给予了很多具体建议和帮助。”龙云泽讲述道。

龙云泽鼓励学生大胆尝试，但光想也是不够的，还需要有条件来实现。实验最开始的验证环节，他们一点点把装置搭起来，包括进行摩擦实验的眼镜模型也是亲手制作的。

当然，在这个过程中，团队也遇到了很多困难。

“可以说，这种将隐形眼镜和患者佩戴的普通眼镜相结合的设计是一项创新，但这个想法是不是可行，大家刚开始都是持怀疑态度的。”龙云泽坦言。

后来，他们通过自制和不断改进实验装置，以及多次反复实验，证实了这个方案是切实可行的。

不过，龙云泽称目前虽然已经用兔子做了活体实验，但还没有用于人体实验。

面对网友担心的隐私问题，龙云泽称这个系统只是利用了眼球跟隐形眼镜的摩擦起电能量，追踪眼球向左向右、向上向下的转动，并不会采集个人生物信息和行为隐私。

未来可融合VR

也能应用于太空与智能驾驶领域

除了控制轮椅和辅助交流，这个系统还可以和VR眼镜结合起来，让用户仅通过眼球的偏转就能控制VR显示内容的变化，告别了设备笨重的问题，也为未来人机交互提供了更加多元的选择。

不仅如此，最令人兴奋的莫过于它还能应用在太空和智能驾驶领域。

“在太空需要穿着厚厚的宇航服，不太好操作仪器仪表，如果通过眼球运动来控制某些操作就能大大解放双手；再比如遇到交通事故，如果手脚被卡住了，通过眼球运动来发送求救信号也是非常必要的。”龙云泽举例道。

此外，在“自供能”生物电子学领域，一个重要的应用方向就是人形机器人，要让机器人的器官或者部位，比如像电子皮肤，更接近真实的人类，还要让机器人有真实人类的温存与情感。同时，人类的某些器官或者部位也很有可能被“自供能”生物电子所取代。

当然，大家最关心的问题还是什么时候可以落地量产。

对此，龙云泽表示，目前他们只是将一种创新性的科学想法通过实验室进行了技术验证，向大家展示了一种自供电眼动追踪系统，利用眨眼的能量和眼球运动来操控轮椅移动的可能性。

如果做成产品，材料与装置方面的完善工作是必不可少的，可能还需要一段足够长的时间才能实现从实验室到产品的转化，如果涉及到医疗器械批号的审批，需要的时间和成本还会增加。

“不过，这个自供电眼动追踪系统的材料成本其实并不算高，也还比较容易实现大规模生产。”龙云泽补充道。

未来，他们也希望能跟有关企业一起合作，完善材料与装置，开展动物和人体实验，继续探索新的应用场景，努力实现从实验室到产品的转化。

运营编辑 |曹倩审核｜孟莎莎