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    人眼仿生鏡頭問世:“終結者”的裝備,環顧或眨眼即可操控
    2019-08-01  來源:DeepTech深科技

      兩次眨眼就可放大鏡頭,再來兩次眨眼即可縮小鏡頭,這是一款通過眼球活動來控制的柔性鏡頭。隨著人眼環顧可左右旋轉,眨眼可變焦。

      這只是一個產品雛形,然而其中我們可以有極大的想象空間,它不一定非得是相機,可以是任何柔性機器。如果加上拍照功能,做成隱形眼鏡,與谷歌眼鏡等可穿戴裝備合體的話,那么就是 007 詹姆斯·邦德的標配,或者是“終結者”的裝備了。

    (來源:DanielJurena/ Flickr / Wikimedia Commons)

      這是第一次眼電信號控制軟性機器的實現。7月16日,加州大學圣地亞哥分校(UCSD)機械與航空工程系副教授蔡盛強(Shengqiang Cai )團隊的這項研究發表在材料學期刊 Adv Funct Mater 上。

    眼電信號來控制

    圖丨仿生軟鏡片的設計與制作:a)人眼的示意圖。眼外肌控制眼球的運動,晶狀體的焦距可以通過環狀睫狀肌的收縮而改變。b)仿生軟鏡片的設計。兩個 DE 膜和鏡片形成雙錐形結構,每一個 DE 膜都具有 4 個獨立的活動區域,環形碳油脂電極涂覆在鏡片表面的頂部,鹽水則作為另一個電極。c)當在一側上的一對 DE 薄膜上施加電壓時(如紅色所示),可以通過 DE 薄膜的膨脹引起透鏡的平面移動。d)鏡片中環形 DE 膜的膨脹可以減小兩側膜的曲率,從而增加鏡片的焦距。(來源:Adv Funct Mater)

      這款相機利用的原理是眼電信號。人眼的角膜與視網膜之間存在電勢差,當眼球運動時,角膜與視網膜之間的電勢差會隨眼球運動而不斷變化,這個即眼電信號。眼動信號測量技術成本低,且測量精確,容易實現長時間記錄以及更適合應用于可穿戴設備。

      軟鏡頭外殼是電活性的聚合物薄膜,也是電介質柔性膜(DE 膜)。鏡頭內容物鹽水相當于人眼的晶狀體,這樣就可以模仿眼睛結構。

      環形碳油脂電極涂覆在鏡片表面的頂部,鹽水則作為另一個電極。軟透鏡的變焦和運動是通過 DE 膜的電勢誘導實現的。聚合物外殼凸起的話就相當于變焦,鏡頭的聚合物環以膨脹或收縮來移動鏡片。

      受試者眼睛周圍有 5 個電極線,這樣就可以感知眼球中的電位,當受試者眼球上下左右活動時,鏡頭會相應移動。

      由于 DE 膜可以快速響應,軟鏡片的運動和變形可以很容易與眼睛運動同步。經過程序設定后,當用戶眨眼兩次即可實現鏡頭放大,再次眨眼兩次后,則是鏡頭縮小。

      目前的這個軟鏡頭并非是可佩戴設備,5 根電極線連接人眼周圍的肌肉,軟鏡頭是離開人體的。這個距離科幻片里的可佩戴智能鏡頭還有工業實現的距離。


    專訪蔡盛強:任何生物信號都可以用來做接口


    記者:這是一個相機,還是說是個眼鏡裝置,怎么定性它呢?

    蔡盛強:都可以。我們相當于是做了一個很原始的模型,就看你想往哪邊應用了。想做成相機可以,想做成眼鏡也可以。

    記者:這個軟鏡頭能夠快速響應,為什么能響應這么快?

    蔡盛強:傳統機器人基本上都是馬達或者齒輪驅動,而軟體機器人需要用到 DE 膜,這就相當于人的肌肉, 眼電電壓可以用來控制其變形和移動。

    記者:與此前的軟鏡頭研究相比,你們的突破體現在什么地方?

    蔡盛強:其實用軟鏡頭我們并不是第一家,但我們這次有兩個大的突破。

    首先我們是仿生了人眼,在柔性材料和鏡頭結構上做了創新。相機的變焦需要很大的空間來操控,而人的眼球是軟的,可以通過肌肉的微控制來實現變焦。這里用到兩組人造肌肉,一組用來控制眼球的上下左右運動,一組用來控制收縮和伸張,就是變焦。

    其次,我們是第一次用眼電信號來操控軟鏡頭運動和變焦。由于使用柔軟材料,透鏡焦距的相對變化可以通過變形達到 32%。

    記者:怎么看待軟鏡頭的信號誤判?

    蔡盛強:生物信號總是有一些噪音,或者是有一些不確定性之處,所以我們信號處理的時候,誤判在所難免。

    如果信號中的峰值或谷值未被識別出,鏡片可能會移動到相反方向,或沒有觸發鏡頭移回。眼動有時也可能被誤判為雙眨眼,導致鏡頭意外變焦。

    目前信號判斷準確率能達到 90%,能采取的糾錯機制就是你就再來一遍操作,就好比電腦死機,我們就提供一個重啟機制。

    記者:這個產品雛形還有哪些改進之處?

    蔡盛強:這畢竟是產品雛形。比如說我們用的電極線是直接買的商業電極線,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,對于生物信號捕獲和處理更有效,以及人的舒適度也會高很多。

    還有我們軟鏡頭內容物是鹽水,透鏡的球形形狀和流體的均勻折射率導致光學像差。實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。

    對于這個 10% 以內的誤判率,我們可以再加一套生物信號比如語音,讓兩套生物信號來控制就可以降低誤判率。

    記者:現在有沒有在嘗試,下一步做成什么產品嗎?

    蔡盛強:沒有,因為我們強項不在那個地方,到下一步真正的產品還是有距離的,但這不是大學研究的強項。當然,有不少人聯系我們詢問,其中有醫生給我們發郵件,問這個裝置能不能幫我們解決一下白內障問題。

    記者:如何看待這個作品的商業前景?

    蔡盛強:我們沒有太去注重生產工藝,那也并不是我們的強項,我們更看重創新點。當然下一步如果有產業界和我們合作,我們是有意愿的。

    圖 | 脈搏信號也可以用來操控裝置。(來源:蔡盛強)


    記者:馬斯克也在研究腦機接口,也是人機界面的研究,跟你們眼電信號研究相對比,你覺得有什么比較嗎?

    蔡盛強:我覺得他那個腦機接口研究更商業化,相對腦電波,眼電信號的研究更為明確。雖然我選擇的是眼電信號,然后用在了軟的透鏡上,其實任何生物信號都可以用來做接口,比如說我們也在嘗試用心電信號做一個裝置,可以像心臟那樣跳動。

    蔡盛強(Shengqiang Cai ),加州大學圣地亞哥分校(UCSD)機械與航空工程系副教授。畢業于中國科技大學力學與機械工程系,于 2011 年獲得哈佛大學機械工程專業的博士學位,并于 2011 年到 2012年 在麻省理工學院從事博士后工作。主要從事研究領域包括軟材料力學、固體的電化學力學、能源材料力學、仿生學設計和生物力學、3D 制作等。


    -End-

    參考:
    https://www.newscientist.com/article/2211334-a-robotic-lens-can-be-controlled-by-simply-looking-around-or-blinking/
    https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.201903762?referrer_access_token=D7c1SsULTUUsZm5P86E5OE4keas67K9QMdWULTWMo8Nt-T6CojEAo2uxOeXxvsKJBahv1uMcC3TXX_0bVdVy5OsJMIhbXtVppQH0jesz9uh5zgCBdxadPUf_a9iOmAcRNBpcBdjEiIUFFT52pXBdKhnYKqXu_G5I1MVRbQxT-_0%3D

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