動動眼球就能“控制”世界？我國科研團(tuán)隊成功研發(fā)
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2024年4月，南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)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(tuán)隊同江蘇省人民醫(yī)院袁松濤主任團(tuán)隊提出了一種具有眼動追蹤功能的****眼鏡?；陬l率編碼策略，該****眼鏡具有無線無源、輕量無感、柔軟安全的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的眼動追蹤和眼動命令識別，有望在人機(jī)交互、眼腦醫(yī)學(xué)診療、眼-腦科學(xué)研究、心理學(xué)研究等領(lǐng)域展開應(yīng)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
閉眼也能捕捉眼動信號
5月13日，在南京大學(xué)現(xiàn)代工學(xué)院光電智能感知實驗室，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追蹤****眼鏡。透明醫(yī)療級硅橡膠材質(zhì)的厚度在100微米左右，四周平均分布著4個金色圓圈，也就是射頻器件，這是捕捉眼動信號的關(guān)鍵。
“我們在****眼鏡中植入了四個射頻器件，封裝在在****眼鏡的四周。當(dāng)外部負(fù)責(zé)通訊的無線射頻裝置向****眼鏡發(fā)出射頻信號時，如果眼球移動了，反射回?zé)o線射頻裝置的射頻信號的頻率和強(qiáng)度就會發(fā)生變化。通過分析信號的數(shù)據(jù)，我們就能知道眼動的軌跡。”論文通訊作者、南京大學(xué)徐飛教授介紹。
傳統(tǒng)的眼動追蹤裝置多采用紅外設(shè)備或圖像采集設(shè)備來追蹤眼動信息，這種技術(shù)易受到眼瞼、睫毛遮擋的干擾和瞳孔、虹膜等個體差異的影響，無法跟蹤睡眠狀態(tài)下人眼的運動軌跡。徐飛教授與合作者大膽創(chuàng)新，采用輕量簡約的眼動追蹤設(shè)計，將射頻器件集成在****眼鏡里，利用無線射頻裝置與****眼鏡的信號傳輸，實現(xiàn)了閉著眼睛的狀態(tài)下，也能捕捉到眼動信號。
為何要在****眼鏡上實現(xiàn)眼動追蹤功能？
“眼動追蹤技術(shù)是進(jìn)行人機(jī)交互的關(guān)鍵技術(shù)，比如我們常用手柄來控制無人機(jī)（車）和機(jī)器人等，但手柄的響應(yīng)速度和精確度是比不過眼睛的。要想‘指哪打哪’，最終要實現(xiàn)對眼球運動軌跡的高精度提取，然后及時反饋。”
徐飛介紹，這款****眼鏡有多種應(yīng)用場景，“手腳不方便的人，可以解放雙手，用它控制外部設(shè)備。另外，在進(jìn)行AR、VR體驗時，根據(jù)實時眼動角度使用視網(wǎng)膜渲染技術(shù)，減少用戶眩暈感，節(jié)省圖形渲染計算資源。從醫(yī)學(xué)角度講，通過監(jiān)測微眼顫、睡眠快速眼動期、斜視，可以進(jìn)行眼腦醫(yī)學(xué)診療、開展心理學(xué)研究等。”
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(yīng)****眼鏡的結(jié)構(gòu)是團(tuán)隊遇到的一大難題?！?***眼鏡是一個球狀的三維曲面，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)過細(xì)致分析和多次試驗，最終選取了銅和聚酰亞胺，通過微納加工制備工藝，制作出只有約10微米厚度的射頻器件，相當(dāng)于頭發(fā)絲的十分之一。與傳統(tǒng)器件相比，這款器件輕薄柔軟，可以很好地適應(yīng)****眼鏡的環(huán)境。
解決了器件的材質(zhì)問題，接下來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題，朱衡天積極請教高分子學(xué)科的專家，“在研制水凝膠配方時，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’，****眼鏡的形狀不會發(fā)生大的變化，可以和器件完美地合二為一。”朱衡天介紹。
已完成刺激實驗
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，在我國作為第三類醫(yī)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(tuán)隊與江蘇省人民醫(yī)院眼科的醫(yī)生團(tuán)隊已完成了眼動追蹤****眼鏡在可靠性、穩(wěn)定性和實用性方面的檢測，通過72小時細(xì)胞毒性測試以及長達(dá)一周的長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機(jī)器車。當(dāng)兔子眼睛轉(zhuǎn)動時，****眼鏡捕捉到信號，通過藍(lán)牙模塊，將信號傳遞到小車上，小車也跟著兔子的眼睛前后左右移動。朱衡天介紹，團(tuán)隊用了兩種模式，檢測****眼鏡是否安全無害，“一種是讓兔子連續(xù)24小時佩戴眼鏡，另一種模式是模擬人類佩戴****眼鏡的習(xí)慣，每天佩戴8小時，連續(xù)佩戴7天，結(jié)果顯示，兔子的眼角膜沒有物理損傷，與市場上的****眼鏡無明顯差異。”
“我們也在不斷優(yōu)化改進(jìn)，提高采樣頻率，讓時延降低，交互更同步?！敝旌馓毂硎?，這款****眼鏡在正式投入市場前，仍需進(jìn)行大規(guī)模的臨床實驗及嚴(yán)格的倫理審核，“從人工智能技術(shù)發(fā)展的長遠(yuǎn)角度來看，我們可以大膽暢想，將****眼鏡打造成一個集成化的VR系統(tǒng)，實現(xiàn)從傳統(tǒng)的頭戴式設(shè)備到僅有百微米厚度的****設(shè)備的跨越。”
來源：南京大學(xué)
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