科技日报记者 宋迎迎 通讯员 孙晓萱
一名渐冻症患者该如何突破身体的桎梏，与外界重建联系？眼动追踪技术成为重要的辅助工具。然而，现实中，当患者试图通过传统眼动追踪设备控制轮椅移动时，沉重的头戴装置、缠绕的电源线缆与频繁的低电量提醒，往往在他们与自主行动之间竖起了一道“高墙”。
如何让眼球运动成为更便捷、更自由的交互方式？近日，青岛大学物理科学学院教授龙云泽团队与合作者，成功研发出全球首套轻量级自供能眼球追踪系统。该系统运行电力完全源于使用者眨眼时隐形眼镜与眼球摩擦产生的微弱电能。佩戴该系统，渐冻症患者可直接通过眼部动作控制轮椅等外部设备，无需再依赖外接电源。相关成果近日发表于《细胞报告物理科学》。
传统设备存在弊端
当前主流眼动追踪技术主要分为两类。
一类是基于图像识别的光学方案。其精度较高，但设备需集成红外光源与多摄像头，导致设备笨重、佩戴不适，且持续红外照射存在潜在生物安全风险，续航与运行稳定性也面临挑战。
另一类是基于生物电信号的传感方案。该方案通过在使用者眼周皮肤贴附电极，来检测眼球转动时产生的角膜—视网膜电位差变化。然而，该技术难以精确解析眼球的运动角度，且信号易受面部肌肉活动或环境电磁干扰，可靠性与精度有限。
由于现有成熟产品需外接电源，供能问题也成为传统眼动追踪设备使用的一大阻碍。
基于此，龙云泽团队提出了全新思路：让眼睛自己“发电”。他们开发出一种基于摩擦电纳米发电机单电极模式下的自供电眼动追踪系统。
这套系统具备诸多优势，它极致轻便，佩戴感与普通眼镜无异，且系统运行所需电力完全来自眼球运动，摆脱了电池束缚，实现“能量自给”。与此同时，它还支持高精度检测，可精确识别2度的最小眼偏角度，眼球运动方向检测准确率达99%。
眼睛里建“微型电站”
龙云泽介绍，这套系统的研发灵感，萌芽于一次课题组讨论。
“当时我们从一些前沿研究中了解到，摩擦纳米发电机可应用于监测眼球运动。一位常佩戴隐形眼镜的学生提出‘为什么不能直接把装置做到眼睛里面去’，这个大胆的设想一下子点亮了团队的思路。”龙云泽说，如同冬天脱毛衣时会产生“噼啪”静电，眨眼时眼球与隐形眼镜的摩擦也会产生微弱电荷。
基于摩擦纳米发电机原理，研究团队创新设计“隐形眼镜+框架眼镜”的双层协同系统。该系统通过摩擦起电与静电感应机制，可将眨眼时隐形眼镜与眼球摩擦产生的微弱机械能直接转化为电能，在简化结构的同时提升信号灵敏度。
“其工作机制犹如在眼睛里搭建一座‘微型电站’。”龙云泽说，这座“电站”内部同时集成了“发电机组”和“信号发射台”。其中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料如同隐形眼镜贴附于使用者眼球表面，是一台“微型摩擦发电机”，每当使用者眨眼或转动眼球，眼球与PDMS材料之间便通过摩擦持续产生电荷。与此同时，一副镜片四周嵌有透明氧化铟锡（ITO）电极的眼镜则扮演着“信号发射台”的角色。透明电极通过静电感应精准捕捉电荷分布和变化，并将其实时转化成可识别的电信号，再经由控制电路传导到外部设备，最终实现精准操控。
要使这一系统稳定运行，材料选择尤为关键。摩擦层PDMS膜需兼具高透光率、高强度、生物相容性和疏水性，以确保在湿润的眼部环境中稳定工作并耐受摩擦。ITO电极则必须在保持高透光率的同时，具备优异的导电性以灵敏捕捉微弱的电场变化。
研发之路并非坦途。这一设想最初即便在团队内部也遭遇了质疑：依赖人体自身微弱生物能的设计，能否安全稳定运转？通过自主设计并迭代改进实验装置，经过反复测试，团队最终以扎实数据验证了路径的可行性。
拓展辅助交互新场景
该项目汇聚物理科学、材料科学、生物医学工程、微电子与控制工程等多领域专家的智慧，并得到香港科技大学教授范智勇团队的支持。“这是一个典型的学科交叉创新项目，没有跨学科的紧密协作和学校的支持，这个构想难以落地。”龙云泽说。
目前，该技术虽尚处于实验室阶段，但在医疗康复、消费电子等多个领域拥有广阔应用前景。这项技术不仅有望为行动受限群体打开一扇无障碍沟通的新窗口，更将为人类与智能设备交互的方式书写全新底层逻辑。
龙云泽介绍，在医疗康复领域，它有望为渐冻症等运动功能障碍患者带来突破性辅助解决方案，患者仅通过自然的眼球转动，即可控制轮椅，操作电脑等智能设备，从而显著提升生活自主性与尊严感。在消费电子领域，该技术与VR或AR设备的结合将催生真正“解放双手”的沉浸式交互体验。在太空作业、智能驾驶等对操作安全性、精确性要求极高的领域，它同样具备应用前景。
同时，该研究为“自供能生物电子学”这一前沿方向提供了技术支撑。未来，此类技术不仅有望让机器人获得更接近人类的感知能力，也可能帮助人类通过自供能电子器件来增强或修复身体功能，开辟人机融合的新路径。
这项技术要从实验室走向广泛应用，还需跨越产业化的一系列挑战，包括系统长期可靠性验证、医疗器械合规及与产业生态的融合等。“我们正积极与相关企业对接，探索合作路径，并积极推进产业化进程。”研究团队核心成员、青岛大学物理科学学院特聘教授张俊说。
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