新体验：当隐形眼镜遇上眼动追踪技术

本文转自：科技日报

上图 用于接收隐形眼镜数据的无线射频装置。

下图 佩戴在模拟眼球上的隐形眼镜。这款隐形眼镜嵌入了射频器件，可高精度追踪眼球运动轨迹、识别眼动命令。

朱衡天供图

◎本报记者 金 凤

小型化、轻量化和无感化是VR、AR设备的重要发展趋势之一。隐形眼镜贴合于人眼，可随眼球转动而动。如果将眼动追踪技术应用于隐形眼镜，又将带来怎样的新体验？

近日，南京大学与江苏省人民医院、南京航空航天大学的研究团队研发出一种具有眼动追踪功能的隐形眼镜。该眼镜无电源、轻量无感，可以和配备的无线射频装置“里应外合”，高精度追踪眼球运动轨迹、识别眼动命令。相关成果发表于国际学术期刊《自然·通讯》。

将射频器件嵌入隐形眼镜

“作为一种成熟的技术，隐形眼镜已经在全球范围内被广泛用于视力矫正。那么，能不能让它成为创造交互式体验的工具？如果想让隐形眼镜实现AR、VR等功能，眼动追踪是需要突破的关键技术。”日前，在接受科技日报记者采访时，论文共同通讯作者、南京大学教授徐飞讲述了这项研究的缘起。

徐飞说，目前市面上许多眼动追踪技术，需要将红外光投射到眼球上，然后用摄像头拍摄并识别眼球特征，进而推算眼球移动的位置轨迹。“但这种技术易受到眼睑、睫毛遮挡的干扰以及瞳孔、虹膜个体差异的影响。因此，这种技术在一些特定场景无法使用，例如无法分析人在睡眠时的眼动规律。”徐飞说。

在研究中，团队采取了一种新的技术路径，实现了“即使闭着眼睛，也能捕捉眼动信号”。

徐飞解释说：“我们在隐形眼镜中植入了4个无线射频器件。当外部无线射频装置向隐形眼镜发出射频信号时，如果眼球移动，反射回的射频信号频率和强度就会发生变化。通过分析信号数据，我们就能知道眼动轨迹。”

这些射频器件，可谓隐形眼镜的“秘密武器”。其加工设计并非易事。“隐形眼镜要与眼球贴合，因此要求无毒、轻薄、透气性好，还要有一定的曲率。这对器件的材质和加工工艺提出很高要求。”徐飞介绍，他们采用微纳加工制备工艺，做出了只有约10微米厚度的射频器件，并将其封装在医疗级硅橡胶材质内。同时，这款隐形眼镜具有和人眼角膜相匹配的曲率，表面进行了亲水化改性。这些都使得隐形眼镜水润透氧、舒适无感。

可实现眼机交互应用

无线射频装置接收的数据，与实际的眼动轨迹是否吻合？隐形眼镜是否能通过眼球的运动“指哪打哪”？这是研究团队的攻关目标。

由于兔子眼睛和人眼角膜的曲率很接近，团队选取兔子作为人类的“替身”，验证技术路线的有效性和安全性。

南京大学2020级博士生朱衡天告诉记者：“在试验中，我们为一只兔子戴上了隐形眼镜，又在它眼前放了一辆机器小车。当兔子眼睛转动时，隐形眼镜捕捉到信号，通过蓝牙模块将信号传递给小车。于是，小车也随着兔子眼睛的转动而移动。”

当兔子睡觉时，团队也收集到了兔子的眼动信号。“我们观察到兔子眼睛在眼皮下转动，但兔子闭眼时眼球转动的实际轨迹与分析得出的轨迹信号是否吻合，还需要进一步验证。”朱衡天说。

隐形眼镜直接覆盖于角膜表面，与眼组织紧密接触，其质量与安全是研究的重中之重。

朱衡天介绍，团队应用了两种模式，检测隐形眼镜是否“友好”：一种模式是让兔子连续24小时佩戴眼镜；另一种模式是模拟人类佩戴隐形眼镜的习惯，每天佩戴8小时，连续佩戴7天。“结果显示，兔子的眼角膜没有物理损伤，与目前商用隐形眼镜对眼角膜的影响无明显差异。”

用活体兔子做试验的同时，团队搭建了眼动模型，测试眼机交互应用的效果。朱衡天介绍，在眼动文字输入、绘画、游戏操控、网页交互、摄像头操控中，该款隐形眼镜均实现了预期功能。

“经过各项调试后，该款隐形眼镜的眼动角精度优于0.5度，满足眼动追踪的精度要求。”徐飞说，该隐形眼镜有望在人机交互、眼脑医学诊疗、眼—脑科学研究、心理学研究等领域展开应用。“例如一些特定场景的危险作业需要拍照，目前主要借助机器人或者摄像头在现场拍摄，如果可以用人眼灵活、精准地控制机器人，将会提高拍摄的实时性和精度。”

不过，徐飞坦言，该款隐形眼镜若想进入商用阶段，还需经过临床试验，同时还需降低无线射频装置的功耗，以及进行轻量化、小型化、长续航、低成本设计。

“我们也在不断优化改进，提高采样频率，让信号时延降低，交互更同步。”朱衡天表示，这款隐形眼镜在正式投入市场前，仍需进行严格的伦理审核。

朱衡天认为：“从人工智能技术发展的长远角度来看，我们可以大胆畅想，将隐形眼镜打造成一个集成化的VR系统，以实现从传统的头戴式设备到仅有百微米厚度隐形设备的跨越。”