“眨眨眼”就能操控輪椅？青島大學聯合港科大攻克眼球追蹤“黑科技”

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第146期，對話青島大學物理科學學院先進納米纖維創新研究院院長龍云澤。

嘉賓簡介：

龍云澤，教授，博導，青島大學物理科學學院先進納米纖維創新研究院院長，山東省中法納米纖維和光電器件合作研究中心主任，國際先進材料學會會士。主要研究方向為依托于靜電紡絲以及溶液噴紡技術制備微納米纖維膜，并研究其在生物醫學、催化降解、納米能源、海水淡化以及空氣過濾等方面的應用；以及利用綜合物性測量系統測試材料在不同環境下的物理性能。

• 眼球追蹤系統在檢測眼球運動方向方面準確率達99%，對改善癱瘓人士或運動功能障礙者的生活質量非常有幫助。

• 和VR眼鏡結合，眼球追蹤系統可使用戶僅通過眼球的偏轉就能控制VR顯示內容的變化，為未來人機交互提供了更加多元的選擇，也有望應用于太空和智能駕駛領域，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和探索。現如今，眨一下眼，不僅能夠“說話”，還能為輪椅“賦能”。

近日，青島大學物理科學學院先進納米纖維創新研究院院長龍云澤教授團隊與合作者，成功研制出一套輕量級自供能眼球追蹤系統。其運行所需的能量，完全源自眼瞼眨動時與眼球摩擦產生的微量電能。

目前，該研究發表在《細胞報告·物理科學》期刊。

僅靠眼瞼眨動與眼球的摩擦如何驅動整個系統？這項技術有哪些優勢？能應用于哪些場景？帶著這些問題，搜狐科技對話了青島大學物理科學學院龍云澤教授。

與隱形眼鏡和普通鏡框眼鏡相似

對此，龍云澤表示，當前主流的眼動追蹤系統，通常采用紅外傳感和圖像采集技術，體積龐大且重量過重，長時間佩戴，很容易產生疲勞。而且持續的紅外光照射也會對我們的視網膜造成不可逆的傷害，加之電池容量的限制，很難長期佩戴。

相比之下，龍云澤表示，其團隊開發的輕量級自供能眼球追蹤系統，在日常使用中更容易佩戴，設備輕巧，與普通隱形眼鏡和鏡框眼鏡相似，不會引起不適。

據介紹，這項研究主要是將摩擦電納米發電機電極與普通眼鏡的框架結合，或者貼在眼睛周圍的皮膚上，通過捕捉眼部肌肉的細微運動、眼周皮膚上的感應電荷信號，轉換為控制信號，從而實現人機的交互功能。

而之所以僅靠“眼瞼眨動與眼球的摩擦”就能產生足夠的電能來驅動整個系統，關鍵就在于患者眼鏡上的電極感應矩陣和眼球上類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原理 受訪者供圖

當患者眨眼時，附著在眼球表面的類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電荷。

當眼球向上轉動時，表面帶有負電荷的隱形眼鏡摩擦層通過靜電感應會在患者眼鏡上方的電極感應產生電信號，而當眼球向左、向右偏轉時，也會在相對應的電極上感應產生相同的電信號。

“我們將眼動追蹤系統與物聯網相結合，就可利用眼球運動來控制輪椅運動。當眼球偏轉時，眼鏡上的感應電極上產生的電信號傳輸到微控制器的端口，用來控制輪椅的移動?！饼堅茲山忉屨f。

值得一提的是，這一系統能夠實現2°的最小眼偏角度的檢測，并且在檢測眼球運動方向方面也具有99%的準確率。

可以說，這項技術為漸凍癥患者那樣的特殊群體與智能設備的交互開辟了新的路徑。

“那些手腳不方便、語音溝通不暢的病人，通過眼球的偏轉就可以控制輪椅的移動，實現計算機的操作，這對改善癱瘓人士或運動功能障礙者的生活質量是非常有幫助的?！饼堅茲扇缡钦f。

三年前組會上的一次頭腦風暴

其實這項研究的開始也很有偶然性。

“我們團隊在納米傳感器、摩擦電納米發電機、生物醫學等方面都有較好的研究基礎，三年前的一次組會上，通過文獻調研得知摩擦電納米發電機可以應用于眼球運動監測，我們就進行了頭腦風暴，經過討論，都覺得這個方向比較前沿，而且實際應用意義還是蠻大的?！?/p>

“碩士研究生吳林鑫就開始了這項研究，他也是文章的一作，而且研究過程中，合作伙伴香港科技大學的范智勇教授課題組也給予了很多具體建議和幫助?！饼堅茲芍v述道。

龍云澤鼓勵學生大膽嘗試，但光想也是不夠的，還需要有條件來實現。實驗最開始的驗證環節，他們一點點把裝置搭起來，包括進行摩擦實驗的眼鏡模型也是親手制作的。

當然，在這個過程中，團隊也遇到了很多困難。

“可以說，這種將隱形眼鏡和患者佩戴的普通眼鏡相結合的設計是一項創新，但這個想法是不是可行，大家剛開始都是持懷疑態度的?！饼堅茲商寡?。

后來，他們通過自制和不斷改進實驗裝置，以及多次反復實驗，證實了這個方案是切實可行的。

不過，龍云澤稱目前雖然已經用兔子做了活體實驗，但還沒有用于人體實驗。

面對網友擔心的隱私問題，龍云澤稱這個系統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、向上向下的轉動，并不會采集個人生物信息和行為隱私。

未來可融合VR

也能應用于太空與智能駕駛領域

除了控制輪椅和輔助交流，這個系統還可以和VR眼鏡結合起來，讓用戶僅通過眼球的偏轉就能控制VR顯示內容的變化，告別了設備笨重的問題，也為未來人機交互提供了更加多元的選擇。

不僅如此，最令人興奮的莫過于它還能應用在太空和智能駕駛領域。

“在太空需要穿著厚厚的宇航服，不太好操作儀器儀表，如果通過眼球運動來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，通過眼球運動來發送求救信號也是非常必要的。”龍云澤舉例道。

此外，在“自供能”生物電子學領域，一個重要的應用方向就是人形機器人，要讓機器人的器官或者部位，比如像電子皮膚，更接近真實的人類，還要讓機器人有真實人類的溫存與情感。同時，人類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。

當然，大家最關心的問題還是什么時候可以落地量產。

對此，龍云澤表示，目前他們只是將一種創新性的科學想法通過實驗室進行了技術驗證，向大家展示了一種自供電眼動追蹤系統，利用眨眼的能量和眼球運動來操控輪椅移動的可能性。

如果做成產品，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的時間才能實現從實驗室到產品的轉化，如果涉及到醫療器械批號的審批，需要的時間和成本還會增加。

“不過，這個自供電眼動追蹤系統的材料成本其實并不算高，也還比較容易實現大規模生產。”龍云澤補充道。

未來，他們也希望能跟有關企業一起合作，完善材料與裝置，開展動物和人體實驗，繼續探索新的應用場景，努力實現從實驗室到產品的轉化。

運營編輯 |曹倩審核｜孟莎莎