人眼仿生鏡頭問(wèn)世

孫滔

這是第一次眼電信號(hào)控制軟性機(jī)器的實(shí)現(xiàn)。7月16日，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）機(jī)械與航空工程系副教授蔡盛強(qiáng)團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究發(fā)表在材料學(xué)期刊《Adv Funct Mater》上。

眼電信號(hào)來(lái)控制

這款相機(jī)利用的原理是眼電信號(hào)。人眼的角膜與視網(wǎng)膜之間存在電勢(shì)差，當(dāng)眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)，角膜與視網(wǎng)膜之間的電勢(shì)差會(huì)隨眼球運(yùn)動(dòng)而不斷變化，這個(gè)即眼電信號(hào)。眼動(dòng)信號(hào)測(cè)量技術(shù)成本低，且測(cè)量精確，容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間記錄以及更適合應(yīng)用于可穿戴設(shè)備。

軟鏡頭外殼是電活性的聚合物薄膜，也是電介質(zhì)柔性膜（DE膜）。鏡頭內(nèi)容物鹽水相當(dāng)于人眼的晶狀體，這樣就可以模仿眼睛結(jié)構(gòu)。環(huán)形碳油脂電極涂覆在鏡片表面的頂部，鹽水則作為另一個(gè)電極。軟透鏡的變焦和運(yùn)動(dòng)是通過(guò)DE膜的電勢(shì)誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的。聚合物外殼凸起的話就相當(dāng)于變焦，鏡頭的聚合物環(huán)以膨脹或收縮來(lái)移動(dòng)鏡片。

受試者眼睛周圍有五個(gè)電極線，這樣就可以感知眼球中的電位，當(dāng)受試者眼球上下左右活動(dòng)時(shí)，鏡頭會(huì)相應(yīng)移動(dòng)。由于DE膜可以快速響應(yīng)，軟鏡片的運(yùn)動(dòng)和變形可以很容易與眼睛運(yùn)動(dòng)同步。經(jīng)過(guò)程序設(shè)定后，當(dāng)用戶眨眼兩次即可實(shí)現(xiàn)鏡頭放大，再次眨眼兩次后，則是鏡頭縮小。

目前的這個(gè)軟鏡頭并非是可佩戴設(shè)備，五根電極線連接人眼周圍的肌肉，軟鏡頭是離開(kāi)人體的。這個(gè)距離科幻片里的可佩戴智能鏡頭還有工業(yè)實(shí)現(xiàn)的距離。

仿生軟鏡 片的 設(shè) 計(jì)與制作：a）人眼的示意圖。眼外肌控制眼球的運(yùn)動(dòng)，晶狀體的焦距可以通過(guò)環(huán)狀睫狀肌的收縮而改變。 b）仿生軟鏡片的設(shè)計(jì)。兩 個(gè) DE 膜和鏡片形成雙錐形結(jié)構(gòu)，每一個(gè) DE 膜都具有 4 個(gè) 獨(dú)立 的 活動(dòng) 區(qū)域，環(huán)形碳油脂電極涂覆在鏡片表面的頂部，鹽水則作為另一個(gè)電極。 c）當(dāng)在一側(cè)上的一對(duì) DE薄膜上施加電壓時(shí) （如紅色所示），可以通過(guò) DE 薄 膜的膨脹引起透鏡的平面移動(dòng)。d）鏡片中環(huán)形 DE膜的膨脹可以減小兩側(cè)膜的曲率，從而增加鏡片的焦距。仿

問(wèn)：這是一個(gè)相機(jī)，還是說(shuō)是個(gè)眼鏡裝置，怎么定性它呢？

蔡盛強(qiáng)：都可以。我們相當(dāng)于是做了一個(gè)很原始的模型，就看你想往哪邊應(yīng)用了。想做成相機(jī)可以，想做成眼鏡也可以。

問(wèn)：這個(gè)軟鏡頭能夠快速響應(yīng)，為什么能響應(yīng)這么快？

蔡盛強(qiáng)：傳統(tǒng)機(jī)器人基本上都是馬達(dá)或者齒輪驅(qū)動(dòng)，而軟體機(jī)器人需要用到DE膜，這就相當(dāng)于人的肌肉， 眼電電壓可以用來(lái)控制其變形和移動(dòng)。

問(wèn)：與此前的軟鏡頭研究相比，你們的突破體現(xiàn)在什么地方？

蔡盛強(qiáng)：其實(shí)用軟鏡頭我們并不是第一家，但我們這次有兩個(gè)大的突破。首先我們是仿生了人眼，在柔性材料和鏡頭結(jié)構(gòu)上做了創(chuàng)新。相機(jī)的變焦需要很大的空間來(lái)操控，而人的眼球是軟的，可以通過(guò)肌肉的微控制來(lái)實(shí)現(xiàn)變焦。這里用到兩組人造肌肉，一組用來(lái)控制眼球的上下左右運(yùn)動(dòng)，一組用來(lái)控制收縮和伸張，就是變焦。

眼球運(yùn)動(dòng)能夠控制這個(gè)軟鏡頭的移動(dòng)

其次，我們是第一次用眼電信號(hào)來(lái)操控軟鏡頭運(yùn)動(dòng)和變焦。由于使用柔軟材料，透鏡焦距的相對(duì)變化可以通過(guò)變形達(dá)到32%。

問(wèn)：怎么看待軟鏡頭的信號(hào)誤判？

蔡盛強(qiáng)：生物信號(hào)總是有一些噪音，或者是有一些不確定性之處，所以我們信號(hào)處理的時(shí)候，誤判在所難免。如果信號(hào)中的峰值或谷值未被識(shí)別出，鏡片可能會(huì)移動(dòng)到相反方向，或沒(méi)有觸發(fā)鏡頭移回。眼動(dòng)有時(shí)也可能被誤判為雙眨眼，導(dǎo)致鏡頭意外變焦。

目前信號(hào)判斷準(zhǔn)確率能達(dá)到 90%，能采取的糾錯(cuò)機(jī)制就是你就再來(lái)一遍操作，就好比電腦死機(jī)，我們就提供一個(gè)重啟機(jī)制。

問(wèn)：這個(gè)產(chǎn)品雛形還有哪些改進(jìn)之處？

蔡盛強(qiáng)：這畢竟是產(chǎn)品雛形。比如說(shuō)我們用的電極線是直接買的商業(yè)電極線，它既不是非常柔軟也不是可拉伸的，如果能換成柔性更好的電極線，對(duì)于生物信號(hào)捕獲和處理更有效，以及人的舒適度也會(huì)高很多。

還有我們軟鏡頭內(nèi)容物是鹽水，透鏡的球形形狀和流體的均勻折射率導(dǎo)致光學(xué)像差。實(shí)際上人眼晶狀體的折射率還是有梯度的，其折射率并非均勻，那么我們可以換成水凝膠，就可以做成有梯度的材料。對(duì)于這個(gè)10%以內(nèi)的誤判率，我們可以再加一套生物信號(hào)比如語(yǔ)音，讓兩套生物信號(hào)來(lái)控制就可以降低誤判率。

問(wèn)：現(xiàn)在有沒(méi)有在嘗試，下一步做成什么產(chǎn)品嗎？

蔡盛強(qiáng)：沒(méi)有，因?yàn)槲覀儚?qiáng)項(xiàng)不在那個(gè)地方，到下一步真正的產(chǎn)品還是有距離的，但這不是大學(xué)研究的強(qiáng)項(xiàng)。當(dāng)然，有不少人聯(lián)系我們?cè)儐?wèn)，其中有醫(yī)生給我們發(fā)郵件，問(wèn)這個(gè)裝置能不能幫我們解決一下白內(nèi)障問(wèn)題。

問(wèn)：如何看待這個(gè)作品的商業(yè)前景？

蔡盛強(qiáng)：我們沒(méi)有太去注重生產(chǎn)工藝，那也并不是我們的強(qiáng)項(xiàng)，我們更看重創(chuàng)新點(diǎn)。當(dāng)然下一步如果有產(chǎn)業(yè)界和我們合作，我們是有意愿的。

問(wèn)：馬斯克也在研究腦機(jī)接口，也是人機(jī)界面的研究，跟你們眼電信號(hào)研究相對(duì)比，你覺(jué)得有什么比較嗎？

蔡盛強(qiáng)：我覺(jué)得他那個(gè)腦機(jī)接口研究更商業(yè)化，相對(duì)腦電波，眼電信號(hào)的研究更為明確。雖然我選擇的是眼電信號(hào)，然后用在了軟的透鏡上，其實(shí)任何生物信號(hào)都可以用來(lái)做接口，比如說(shuō)我們也在嘗試用心電信號(hào)做一個(gè)裝置，可以像心臟那樣跳動(dòng)。（摘自美《深科技》）（編輯/諾伊克）