南京大學最新研究：動動眼球就能“控制”世界？

2024年4月，南京大學現代工程與應用科學學院徐飛教授、陸延青教授，南京航空航天大學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追蹤功能的隱形眼鏡。基于頻率編碼策略，該隱形眼鏡具有無線無源、輕量無感、柔軟安全的特點，能夠實現高精度的眼動追蹤和眼動命令識別，有望在人機交互、眼腦醫學診療、眼-腦科學研究、心理學研究等領域展開應用。相關成果于近日發表于國際學術期刊《自然·通訊》。

射頻器件植入隱形眼鏡  閉眼也能捕捉眼動信號

5月13日，在南京大學現代工學院光電智能感知實驗室，論文第一作者、南京大學2020級博士生朱衡天展示了這款眼動追蹤隱形眼鏡。

圖1：論文第一作者，南京大學2020級博士生朱衡天進行實驗操作

透明醫療級硅橡膠材質的厚度在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鍵。

“我們在隱形眼鏡中植入了四個射頻器件，封裝在在隱形眼鏡的四周。當外部負責通訊的無線射頻裝置向隱形眼鏡發出射頻信號時，如果眼球移動了，反射回無線射頻裝置的射頻信號的頻率和強度就會發生變化。通過分析信號的數據，我們就能知道眼動的軌跡。”論文通訊作者、南京大學徐飛教授介紹。

傳統的眼動追蹤裝置多采用紅外設備或圖像采集設備來追蹤眼動信息，這種技術易受到眼瞼、睫毛遮擋的干擾和瞳孔、虹膜等個體差異的影響，無法跟蹤睡眠狀態下人眼的運動軌跡。徐飛教授與合作者大膽創新，采用輕量簡約的眼動追蹤設計，將射頻器件集成在隱形眼鏡里，利用無線射頻裝置與隱形眼鏡的信號傳輸，實現了閉著眼睛的狀態下，也能捕捉到眼動信號。

圖2：具有眼動追蹤功能的隱形眼鏡

為何要在隱形眼鏡上實現眼動追蹤功能？

“眼動追蹤技術是進行人機交互的關鍵技術，比如我們常用手柄來控制無人機（車）和機器人等，但手柄的響應速度和精確度是比不過眼睛的。要想‘指哪打哪’，最終要實現對眼球運動軌跡的高精度提取，然后及時反饋。”

徐飛介紹，這款隱形眼鏡有多種應用場景，“手腳不方便的人，可以解放雙手，用它控制外部設備。另外，在進行AR、VR體驗時，根據實時眼動角度使用視網膜渲染技術，減少用戶眩暈感，節省圖形渲染計算資源。從醫學角度講，通過監測微眼顫、睡眠快速眼動期、斜視，可以進行眼腦醫學診療、開展心理學研究等。”

制備的器件比頭發絲還薄  與隱形眼鏡合二為一

如何讓器件適應隱形眼鏡的結構是團隊遇到的一大難題。“隱形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，質地堅硬還有一定厚度，兩者是完全不匹配的。”朱衡天介紹，他們經過細致分析和多次試驗，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，相當于頭發絲的十分之一。與傳統器件相比，這款器件輕薄柔軟，可以很好地適應隱形眼鏡的環境。

解決了器件的材質問題，接下來就是如何將器件集成到隱形眼鏡上。水凝膠是隱形眼鏡的常用材料，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，隱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。在隱形眼鏡制備完成后，用水去替換隱形眼鏡中的溶劑，這樣‘一進一出’，隱形眼鏡的形狀不會發生大的變化，可以和器件完美地合二為一。”朱衡天介紹。

圖3：豐富多樣的眼機交互應用

已完成刺激實驗  有效性和安全性得到驗證

隱形眼鏡直接覆蓋于角膜表面，與眼組織緊密接觸，具有較高風險，在我國作為第三類醫療器械管理，因此質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追蹤隱形眼鏡在可靠性、穩定性和實用性方面的檢測，通過72小時細胞毒性測試以及長達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，為一只兔子戴上了隱形眼鏡，又在它眼前放了一個機器車。當兔子眼睛轉動時，隱形眼鏡捕捉到信號，通過藍牙模塊，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，團隊用了兩種模式，檢測隱形眼鏡是否安全無害，“一種是讓兔子連續24小時佩戴眼鏡，另一種模式是模擬人類佩戴隱形眼鏡的習慣，每天佩戴8小時，連續佩戴7天，結果顯示，兔子的眼角膜沒有物理損傷，與市場上的隱形眼鏡無明顯差異。”

圖4：眼部生物相容性測試

“我們也在不斷優化改進，提高采樣頻率，讓時延降低，交互更同步。”朱衡天表示，這款隱形眼鏡在正式投入市場前，仍需進行大規模的臨床實驗及嚴格的倫理審核，“從人工智能技術發展的長遠角度來看，我們可以大膽暢想，將隱形眼鏡打造成一個集成化的VR系統，實現從傳統的頭戴式設備到僅有百微米厚度的隱形設備的跨越。”

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47851-y