動(dòng)動(dòng)眼球就能“控制”世界？我國科研團隊成功研發(fā)
發(fā)布人：傳感器技術(shù)
時(shí)間：2024-05-26
來(lái)源：工程師
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2024年4月，南京大學(xué)現代工程與應用科學(xué)學(xué)院徐飛教授、陸延青教授，南京航空航天大學(xué)陳燁研究員團隊同江蘇省人民醫院袁松濤主任團隊提出了一種具有眼動(dòng)追蹤功能的****眼鏡?；陬l率編碼策略，該****眼鏡具有無(wú)線(xiàn)無(wú)源、輕量無(wú)感、柔軟安全的特點(diǎn)，能夠實(shí)現高精度的眼動(dòng)追蹤和眼動(dòng)命令識別，有望在人機交互、眼腦醫學(xué)診療、眼-腦科學(xué)研究、心理學(xué)研究等領(lǐng)域展開(kāi)應用。相關(guān)成果于近日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》。
南京發(fā)布
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射頻器件植入****眼鏡
閉眼也能捕捉眼動(dòng)信號
5月13日，在南京大學(xué)現代工學(xué)院光電智能感知實(shí)驗室，論文第一作者、南京大學(xué)2020級博士生朱衡天展示了這款眼動(dòng)追蹤****眼鏡。透明醫療級硅橡膠材質(zhì)的厚度在100微米左右，四周平均分布著(zhù)4個(gè)金色圓圈，也就是射頻器件，這是捕捉眼動(dòng)信號的關(guān)鍵。
“我們在****眼鏡中植入了四個(gè)射頻器件，封裝在在****眼鏡的四周。當外部負責通訊的無(wú)線(xiàn)射頻裝置向****眼鏡發(fā)出射頻信號時(shí)，如果眼球移動(dòng)了，反射回無(wú)線(xiàn)射頻裝置的射頻信號的頻率和強度就會(huì )發(fā)生變化。通過(guò)分析信號的數據，我們就能知道眼動(dòng)的軌跡?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、南京大學(xué)徐飛教授介紹。
傳統的眼動(dòng)追蹤裝置多采用紅外設備或圖像采集設備來(lái)追蹤眼動(dòng)信息，這種技術(shù)易受到眼瞼、睫毛遮擋的干擾和瞳孔、虹膜等個(gè)體差異的影響，無(wú)法跟蹤睡眠狀態(tài)下人眼的運動(dòng)軌跡。徐飛教授與合作者大膽創(chuàng )新，采用輕量簡(jiǎn)約的眼動(dòng)追蹤設計，將射頻器件集成在****眼鏡里，利用無(wú)線(xiàn)射頻裝置與****眼鏡的信號傳輸，實(shí)現了閉著(zhù)眼睛的狀態(tài)下，也能捕捉到眼動(dòng)信號。
為何要在****眼鏡上實(shí)現眼動(dòng)追蹤功能？
“眼動(dòng)追蹤技術(shù)是進(jìn)行人機交互的關(guān)鍵技術(shù)，比如我們常用手柄來(lái)控制無(wú)人機（車(chē)）和機器人等，但手柄的響應速度和精確度是比不過(guò)眼睛的。要想‘指哪打哪’，最終要實(shí)現對眼球運動(dòng)軌跡的高精度提取，然后及時(shí)反饋?！?br />徐飛介紹，這款****眼鏡有多種應用場(chǎng)景，“手腳不方便的人，可以解放雙手，用它控制外部設備。另外，在進(jìn)行AR、VR體驗時(shí)，根據實(shí)時(shí)眼動(dòng)角度使用視網(wǎng)膜渲染技術(shù)，減少用戶(hù)眩暈感，節省圖形渲染計算資源。從醫學(xué)角度講，通過(guò)監測微眼顫、睡眠快速眼動(dòng)期、斜視，可以進(jìn)行眼腦醫學(xué)診療、開(kāi)展心理學(xué)研究等?！?/span>
制備的器件比頭發(fā)絲還薄
與****眼鏡合二為一
如何讓器件適應****眼鏡的結構是團隊遇到的一大難題?！?***眼鏡是一個(gè)球狀的三維曲面，它非常薄，而我們常用的器件是平面硅基器件，質(zhì)地堅硬還有一定厚度，兩者是完全不匹配的?！敝旌馓旖榻B，他們經(jīng)過(guò)細致分析和多次試驗，最終選取了銅和聚酰亞胺，通過(guò)微納加工制備工藝，制作出只有約10微米厚度的射頻器件，相當于頭發(fā)絲的十分之一。與傳統器件相比，這款器件輕薄柔軟，可以很好地適應****眼鏡的環(huán)境。
解決了器件的材質(zhì)問(wèn)題，接下來(lái)就是如何將器件集成到****眼鏡上。水凝膠是****眼鏡的常用材料，具有較好的透氧性和水合性，但它也具有溶脹性，遇水脹大變形，****眼鏡形狀隨之改變，這種特性給器件集成增加了難度。
課題組成員都是光電研究背景，而水凝膠的溶脹行為更偏向于高分子領(lǐng)域的研究。為解決水凝膠的溶脹問(wèn)題，朱衡天積極請教高分子學(xué)科的專(zhuān)家，“在研制水凝膠配方時(shí)，我們加入了一定比例的溶劑。在****眼鏡制備完成后，用水去替換****眼鏡中的溶劑，這樣‘一進(jìn)一出’，****眼鏡的形狀不會(huì )發(fā)生大的變化，可以和器件完美地合二為一?！敝旌馓旖榻B。
已完成刺激實(shí)驗
有效性和安全性得到驗證
****眼鏡直接覆蓋于角膜表面，與眼組織緊密接觸，具有較高風(fēng)險，在我國作為第三類(lèi)醫療器械管理，因此質(zhì)量與安全成為研究的重中之重。
目前，團隊與江蘇省人民醫院眼科的醫生團隊已完成了眼動(dòng)追蹤****眼鏡在可靠性、穩定性和實(shí)用性方面的檢測，通過(guò)72小時(shí)細胞毒性測試以及長(cháng)達一周的長(cháng)期活體兔眼刺激測試，對其安全性和生物相容性進(jìn)行了驗證。
兔子眼睛和人眼角膜的曲率很接近，他們以兔子做試驗，為一只兔子戴上了****眼鏡，又在它眼前放了一個(gè)機器車(chē)。當兔子眼睛轉動(dòng)時(shí)，****眼鏡捕捉到信號，通過(guò)藍牙模塊，將信號傳遞到小車(chē)上，小車(chē)也跟著(zhù)兔子的眼睛前后左右移動(dòng)。朱衡天介紹，團隊用了兩種模式，檢測****眼鏡是否安全無(wú)害，“一種是讓兔子連續24小時(shí)佩戴眼鏡，另一種模式是模擬人類(lèi)佩戴****眼鏡的習慣，每天佩戴8小時(shí)，連續佩戴7天，結果顯示，兔子的眼角膜沒(méi)有物理?yè)p傷，與市場(chǎng)上的****眼鏡無(wú)明顯差異。”
“我們也在不斷優(yōu)化改進(jìn)，提高采樣頻率，讓時(shí)延降低，交互更同步?！敝旌馓毂硎?，這款****眼鏡在正式投入市場(chǎng)前，仍需進(jìn)行大規模的臨床實(shí)驗及嚴格的倫理審核，“從人工智能技術(shù)發(fā)展的長(cháng)遠角度來(lái)看，我們可以大膽暢想，將****眼鏡打造成一個(gè)集成化的VR系統，實(shí)現從傳統的頭戴式設備到僅有百微米厚度的****設備的跨越?！?br />
來(lái)源：南京大學(xué)
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