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一名漸凍癥患者該如何突破身體的桎梏，與外界重建聯(lián)系？眼動追蹤技術(shù)成為重要的輔助工具。然而，現(xiàn)實中，當(dāng)患者試圖通過傳統(tǒng)眼動追蹤設(shè)備控制輪椅移動時，沉重的頭戴裝置、纏繞的電源線纜與頻繁的低電量提醒，往往在他們與自主行動之間豎起了一道“高墻”。

如何讓眼球運動成為更便捷、更自由的交互方式？近日，青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院教授龍云澤團隊與合作者，成功研發(fā)出全球首套輕量級自供能眼球追蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)運行電力完全源于使用者眨眼時隱形眼鏡與眼球摩擦產(chǎn)生的微弱電能。佩戴該系統(tǒng)，漸凍癥患者可直接通過眼部動作控制輪椅等外部設(shè)備，無需再依賴外接電源。相關(guān)成果近日發(fā)表于《細(xì)胞報告物理科學(xué)》。

傳統(tǒng)設(shè)備存在弊端

當(dāng)前主流眼動追蹤技術(shù)主要分為兩類。

一類是基于圖像識別的光學(xué)方案。其精度較高，但設(shè)備需集成紅外光源與多攝像頭，導(dǎo)致設(shè)備笨重、佩戴不適，且持續(xù)紅外照射存在潛在生物安全風(fēng)險，續(xù)航與運行穩(wěn)定性也面臨挑戰(zhàn)。

另一類是基于生物電信號的傳感方案。該方案通過在使用者眼周皮膚貼附電極，來檢測眼球轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的角膜—視網(wǎng)膜電位差變化。然而，該技術(shù)難以精確解析眼球的運動角度，且信號易受面部肌肉活動或環(huán)境電磁干擾，可靠性與精度有限。

由于現(xiàn)有成熟產(chǎn)品需外接電源，供能問題也成為傳統(tǒng)眼動追蹤設(shè)備使用的一大阻礙。

基于此，龍云澤團隊提出了全新思路：讓眼睛自己“發(fā)電”。他們開發(fā)出一種基于摩擦電納米發(fā)電機單電極模式下的自供電眼動追蹤系統(tǒng)。

這套系統(tǒng)具備諸多優(yōu)勢，它極致輕便，佩戴感與普通眼鏡無異，且系統(tǒng)運行所需電力完全來自眼球運動，擺脫了電池束縛，實現(xiàn)“能量自給”。與此同時，它還支持高精度檢測，可精確識別2度的最小眼偏角度，眼球運動方向檢測準(zhǔn)確率達(dá)99%。

眼睛里建“微型電站”

龍云澤介紹，這套系統(tǒng)的研發(fā)靈感，萌芽于一次課題組討論。

“當(dāng)時我們從一些前沿研究中了解到，摩擦納米發(fā)電機可應(yīng)用于監(jiān)測眼球運動。一位常佩戴隱形眼鏡的學(xué)生提出‘為什么不能直接把裝置做到眼睛里面去’，這個大膽的設(shè)想一下子點亮了團隊的思路?！饼堅茲烧f，如同冬天脫毛衣時會產(chǎn)生“噼啪”靜電，眨眼時眼球與隱形眼鏡的摩擦也會產(chǎn)生微弱電荷。

基于摩擦納米發(fā)電機原理，研究團隊創(chuàng)新設(shè)計“隱形眼鏡+框架眼鏡”的雙層協(xié)同系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過摩擦起電與靜電感應(yīng)機制，可將眨眼時隱形眼鏡與眼球摩擦產(chǎn)生的微弱機械能直接轉(zhuǎn)化為電能，在簡化結(jié)構(gòu)的同時提升信號靈敏度。

“其工作機制猶如在眼睛里搭建一座‘微型電站’?！饼堅茲烧f，這座“電站”內(nèi)部同時集成了“發(fā)電機組”和“信號發(fā)射臺”。其中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料如同隱形眼鏡貼附于使用者眼球表面，是一臺“微型摩擦發(fā)電機”，每當(dāng)使用者眨眼或轉(zhuǎn)動眼球，眼球與PDMS材料之間便通過摩擦持續(xù)產(chǎn)生電荷。與此同時，一副鏡片四周嵌有透明氧化銦錫（ITO）電極的眼鏡則扮演著“信號發(fā)射臺”的角色。透明電極通過靜電感應(yīng)精準(zhǔn)捕捉電荷分布和變化，并將其實時轉(zhuǎn)化成可識別的電信號，再經(jīng)由控制電路傳導(dǎo)到外部設(shè)備，最終實現(xiàn)精準(zhǔn)操控。

要使這一系統(tǒng)穩(wěn)定運行，材料選擇尤為關(guān)鍵。摩擦層PDMS膜需兼具高透光率、高強度、生物相容性和疏水性，以確保在濕潤的眼部環(huán)境中穩(wěn)定工作并耐受摩擦。ITO電極則必須在保持高透光率的同時，具備優(yōu)異的導(dǎo)電性以靈敏捕捉微弱的電場變化。

研發(fā)之路并非坦途。這一設(shè)想最初即便在團隊內(nèi)部也遭遇了質(zhì)疑：依賴人體自身微弱生物能的設(shè)計，能否安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)？通過自主設(shè)計并迭代改進實驗裝置，經(jīng)過反復(fù)測試，團隊最終以扎實數(shù)據(jù)驗證了路徑的可行性。

拓展輔助交互新場景

該項目匯聚物理科學(xué)、材料科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、微電子與控制工程等多領(lǐng)域?qū)＜业闹腔?，并得到香港科技大學(xué)教授范智勇團隊的支持。“這是一個典型的學(xué)科交叉創(chuàng)新項目，沒有跨學(xué)科的緊密協(xié)作和學(xué)校的支持，這個構(gòu)想難以落地?！饼堅茲烧f。

目前，該技術(shù)雖尚處于實驗室階段，但在醫(yī)療康復(fù)、消費電子等多個領(lǐng)域擁有廣闊應(yīng)用前景。這項技術(shù)不僅有望為行動受限群體打開一扇無障礙溝通的新窗口，更將為人類與智能設(shè)備交互的方式書寫全新底層邏輯。

龍云澤介紹，在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，它有望為漸凍癥等運動功能障礙患者帶來突破性輔助解決方案，患者僅通過自然的眼球轉(zhuǎn)動，即可控制輪椅，操作電腦等智能設(shè)備，從而顯著提升生活自主性與尊嚴(yán)感。在消費電子領(lǐng)域，該技術(shù)與VR或AR設(shè)備的結(jié)合將催生真正“解放雙手”的沉浸式交互體驗。在太空作業(yè)、智能駕駛等對操作安全性、精確性要求極高的領(lǐng)域，它同樣具備應(yīng)用前景。

同時，該研究為“自供能生物電子學(xué)”這一前沿方向提供了技術(shù)支撐。未來，此類技術(shù)不僅有望讓機器人獲得更接近人類的感知能力，也可能幫助人類通過自供能電子器件來增強或修復(fù)身體功能，開辟人機融合的新路徑。

這項技術(shù)要從實驗室走向廣泛應(yīng)用，還需跨越產(chǎn)業(yè)化的一系列挑戰(zhàn)，包括系統(tǒng)長期可靠性驗證、醫(yī)療器械合規(guī)及與產(chǎn)業(yè)生態(tài)的融合等。“我們正積極與相關(guān)企業(yè)對接，探索合作路徑，并積極推進產(chǎn)業(yè)化進程?！毖芯繄F隊核心成員、青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院特聘教授張俊說。