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北京納米能源所陳翔宇研究員、王中林院士 Nat. Commun.: 基于超高電荷密度的透明靜電界面實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)式非接觸眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)
2023-06-08  來(lái)源：高分子科技

  眼動(dòng)追蹤技術(shù)可以通過(guò)解碼眼球轉(zhuǎn)動(dòng)、捕捉凝視點(diǎn)和眨眼等眼部動(dòng)作，提供有關(guān)人類(lèi)視覺(jué)行為的信息，是一種可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、商業(yè)和工程領(lǐng)域的革命性技術(shù)。例如，眼球追蹤已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于認(rèn)知功能康復(fù)、漸凍癥患者輔助交流、消費(fèi)者視覺(jué)喜好分析以及虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域。盡管已經(jīng)有多種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)眼動(dòng)追蹤，但是這些技術(shù)都存在一定的不足，例如植入式的線(xiàn)圈是虹膜搜索線(xiàn)圈的必要元素，容易引起眼球感染；核磁共振技術(shù)需要龐大的核磁設(shè)備，缺少便攜性；紅外追蹤技術(shù)具有高分辨率的優(yōu)勢(shì)，但又不能克服隱私和攝像頭阻擋視線(xiàn)的問(wèn)題；眼電信號(hào)追蹤基于角膜和視網(wǎng)膜不同電位形成的偶極矩來(lái)實(shí)現(xiàn)眼球追蹤，理論上具有較高的分辨率，已經(jīng)應(yīng)用于人機(jī)交互和醫(yī)學(xué)診斷，然而卻過(guò)度依賴(lài)接觸式的電極（例如Ag/AgCl電極），同樣會(huì)存在透氣性不足和皮膚感染的風(fēng)險(xiǎn)。因此探索新的基于電信號(hào)的眼動(dòng)追蹤技術(shù)仍然是十分必要的。



  以摩擦納米發(fā)電機(jī)為模型的靜電感應(yīng)傳感，可以通過(guò)帶電體之間的空間靜電場(chǎng)進(jìn)行非接觸交互傳感，在人機(jī)交互領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，可以為電信號(hào)的眼動(dòng)追蹤技術(shù)提供新的方法。據(jù)此，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于靜電傳感界面的自驅(qū)動(dòng)眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)，利用眼動(dòng)時(shí)眼周皮膚的動(dòng)態(tài)起伏，與帶有靜電的傳感界面之間形成靜電感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了非接觸的眼動(dòng)追蹤，可以應(yīng)用于視覺(jué)喜好追蹤分析與眼動(dòng)控制人機(jī)交互等領(lǐng)域。近期，他們?cè)?/span>Nature Communications上發(fā)表了“Eye tracking and eye expression decoding based on transparent, flexible and ultra-persistent electrostatic interface”的論文，博士研究生石玉祥為論文的第一作者，陳翔宇研究員為通訊作者。


圖1. 用于眼動(dòng)追蹤的透明、可拉伸的靜電傳感界面。（a）靜電傳感界面的多層結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖。（b、c）傳感界面的掃描電鏡截面圖與陣列排布圖。（d、e）靜電傳感界面用于眼控鼠標(biāo)輸入的概念圖與工作流程圖。


  該自驅(qū)動(dòng)眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)主要依靠高表面電荷密度、高電荷保持能力的透明靜電傳感界面陣列進(jìn)行眼動(dòng)動(dòng)作響應(yīng)。靜電傳感界面由兩部分組成，一是表面充滿(mǎn)靜電荷的雙介電層，由聚三氟氯乙烯（PCTFE）沉積的PDMS薄膜制備，二是柔性PDMS基底上噴涂制備的表面預(yù)刻蝕的銀納米線(xiàn)（Ag NWs）柔性電極，多層結(jié)構(gòu)如圖2（e）所示。通過(guò)常用負(fù)電性材料的優(yōu)選，選用磁控濺射的PCTFE沉積在PDMS上制備了雙介電層帶電薄膜；利用化學(xué)刻蝕的方法，制備了具有粗糙表面的Ag NW柔性電極，二者的共同作用，改善了這種多次靜電界面的寄生電容，激發(fā)了大量界面的陷阱電荷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電荷駐極特性的顯著增強(qiáng)。在高壓極化后的表面電荷密度可以達(dá)到了前所未有的1671.1 μC·m-2，而且具有超強(qiáng)的電荷保持能力。在非接觸模式下的運(yùn)行中，經(jīng)過(guò)超1000次的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，電荷保持率可以達(dá)到96.91%，之后經(jīng)過(guò)15天的測(cè)試，電荷保持率仍然超過(guò)85%。在多次拉伸（彎曲）之后，電荷保持能力也能在90%以上。器件具有較高的柔性和透明度，可以直接貼附在不同曲率的眼鏡上，不會(huì)對(duì)實(shí)現(xiàn)造成阻擋。表面注入電荷的靜電傳感界面在周?chē)a(chǎn)生靜電場(chǎng)，可以與眼動(dòng)時(shí)眼周皮膚的起伏產(chǎn)生靜電感應(yīng)作用，在不同的眼動(dòng)動(dòng)作中生成了特定的可分辨信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)眼球追蹤、眨眼檢測(cè)，該非接觸式眼動(dòng)檢測(cè)機(jī)理與之前所報(bào)道的可穿戴眼動(dòng)追蹤技術(shù)不同，是一種全新的眼動(dòng)檢測(cè)器件。


圖2. 靜電傳感界面的材料優(yōu)化與輸出表征。（a、b）高壓極化后PTFE、PVC與PCTFE的轉(zhuǎn)移電荷與表面電荷密度。（c）三種材料的非接觸式電荷保持能力。（d）DFT計(jì)算的材料表面電勢(shì)。（e）設(shè)計(jì)的雙介電層與粗糙表面Ag NW電極模型。（f、g）優(yōu)化后的靜電傳感界面的轉(zhuǎn)移電荷與電荷保持能力。


  通過(guò)眼動(dòng)時(shí)眼周皮膚起伏狀態(tài)的定性分析，作者總結(jié)出眼部皮膚起伏最為敏感的位置：上、下眼瞼的中間和下眼瞼的兩側(cè)位置。據(jù)此，作者優(yōu)化了“上一下三”式的陣列布局，如圖3（c）所示。依靠非接觸靜電感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生的特異性響應(yīng)信號(hào)，該自驅(qū)動(dòng)眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)眼球轉(zhuǎn)動(dòng)和眨眼的精確識(shí)別，圖3（e）所示為眼球上、下、左、右四個(gè)方向看的特征信號(hào)圖。不同方向眼球轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)的角度分辨率為5°。以非接觸靜電感應(yīng)為原理，該靜電傳感界面可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)閉眼狀態(tài)的眼動(dòng)檢測(cè)，在快速眼動(dòng)睡眠檢測(cè)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。


圖3. 靜電傳感界面的陣列及眼動(dòng)響應(yīng)信號(hào)。（a、b）3D眼部掃描圖與眼睛上下看時(shí)眼部皮膚起伏分析圖。（c）依據(jù)眼部敏感部位確定的陣列排布。（d）傳感界面陣列的實(shí)物圖。（e）眼睛不同方向看的四通道信號(hào)圖。（f、g）眼睛不同角度上、下看的四通道信號(hào)圖。


  借助機(jī)器學(xué)習(xí)輔助，本文展示了該系統(tǒng)在視覺(jué)喜好分析和眼控鼠標(biāo)輸入系統(tǒng)的應(yīng)用。如圖4所示為視覺(jué)喜好分析系統(tǒng)，作者搭建了九宮格視覺(jué)面板，通過(guò)靜電傳感界面陣列的特征靜電信號(hào)，捕捉眼球上、下、左、右、左上、右上、左下、右下八個(gè)方向的眼球轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)信號(hào)分類(lèi)解碼，實(shí)現(xiàn)了眼球轉(zhuǎn)動(dòng)方向的識(shí)別與記錄。將凝視點(diǎn)的軌跡簡(jiǎn)化為眼球轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可以記錄眼睛在九宮格面板上的凝視點(diǎn)移動(dòng)的移動(dòng)軌跡。進(jìn)一步還原凝視點(diǎn)的停留位置、時(shí)間和次數(shù)，可以提供不同內(nèi)容的視覺(jué)偏好，為商業(yè)營(yíng)銷(xiāo)提供有價(jià)值的信息。


圖4. 眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)用于視覺(jué)喜好分析。（a、b）視覺(jué)喜好分析系統(tǒng)的工作流程圖與工作場(chǎng)景圖。（c）機(jī)器學(xué)習(xí)混淆矩陣。（d）眼動(dòng)追蹤的凝視點(diǎn)移動(dòng)軌跡圖。（e）視覺(jué)喜好的結(jié)果分析圖。


  如圖5所示為眼動(dòng)控制人機(jī)交互的應(yīng)用。作者將不同次數(shù)的眨眼信號(hào)編碼為鼠標(biāo)的敲擊指令，將不同角度的眼球轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)編碼為箭頭的移動(dòng)方向，通過(guò)對(duì)眼動(dòng)動(dòng)作信號(hào)的分類(lèi)解碼與再編碼，可以通過(guò)眼動(dòng)控制鼠標(biāo)箭頭的移動(dòng)、右鍵菜單的調(diào)取、命令的選取，實(shí)現(xiàn)了眼動(dòng)控制的鼠標(biāo)輸入，能夠?yàn)闈u凍癥患者提供眼動(dòng)控制的人機(jī)交互方式。該自驅(qū)動(dòng)眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)豐富了眼動(dòng)追蹤技術(shù)方法，并拓展了基于摩擦納米發(fā)電機(jī)的靜電傳感在醫(yī)療、商業(yè)和人機(jī)交互領(lǐng)域的應(yīng)用。


圖5. 眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)用于眼動(dòng)控制鼠標(biāo)輸入。（a、b）眼控鼠標(biāo)輸入系統(tǒng)的工作流程圖及其機(jī)器學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖。（c）不同眨眼次數(shù)信號(hào)與對(duì)應(yīng)的鼠標(biāo)輸入信號(hào)。（d）不同方向看的信號(hào)與對(duì)應(yīng)的鼠標(biāo)移動(dòng)方向。（e）眼動(dòng)控制的菜單調(diào)取、命令選擇與文件復(fù)制過(guò)程圖。


  文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39068-2

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