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現(xiàn)的主動式非接觸眼動追蹤系統(tǒng)
眼動追蹤技術(shù)可以通過解碼眼球轉(zhuǎn)動、捕捉凝視點和眨眼等眼部動作，提供有關(guān)人類視覺行為的信息，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)用于認知功能康復(fù)、漸凍癥患者輔助交流、消費者視覺喜好分析以及虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域。盡管已經(jīng)有多種技術(shù)可以實現(xiàn)眼動追蹤，但是這些技術(shù)都存在一定的不足，例如植入式的線圈是虹膜搜索線圈的必要元素，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，但又不能克服隱私和攝像頭阻擋視線的問題；眼電信號追蹤基于角膜和視網(wǎng)膜不同電位形成的偶極矩來實現(xiàn)眼球追蹤，理論上具有較高的分辨率，已經(jīng)應(yīng)用于人機交互和醫(yī)學(xué)診斷，然而卻過度依賴接觸式的電極（例如Ag/AgCl電極），同樣會存在透氣性不足和皮膚感染的風(fēng)險。因此探索新的基于電信號的眼動追蹤技術(shù)仍然是十分必要的。
以摩擦納米發(fā)電機為模型的靜電感應(yīng)傳感，可以通過帶電體之間的空間靜電場進行非接觸交互傳感，在人機交互領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，可以為電信號的眼動追蹤技術(shù)提供新的方法。據(jù)此，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的研究團隊開發(fā)了一種基于靜電傳感界面的自驅(qū)動眼動追蹤系統(tǒng)，利用眼動時眼周皮膚的動態(tài)起伏，與帶有靜電的傳感界面之間形成靜電感應(yīng)，實現(xiàn)了非接觸的眼動追蹤，可以應(yīng)用于視覺喜好追蹤分析與眼動控制人機交互等領(lǐng)域。近期，他們在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輸入的概念圖與工作流程圖。
該自驅(qū)動眼動追蹤系統(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行眼動動作響應(yīng)。靜電傳感界面由兩部分組成，一是表面充滿靜電荷的雙介電層，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（Ag NWs）柔性電極，多層結(jié)構(gòu)如圖2（e）所示。通過常用負電性材料的優(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，實現(xiàn)了對電荷駐極特性的顯著增強。在高壓極化后的表面電荷密度可以達到了前所未有的1671.1 μC·m-2，而且具有超強的電荷保持能力。在非接觸模式下的運行中，經(jīng)過超1000次的運動檢測，電荷保持率可以達到96.91%，之后經(jīng)過15天的測試，電荷保持率仍然超過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，不會對實現(xiàn)造成阻擋。表面注入電荷的靜電傳感界面在周圍產(chǎn)生靜電場，可以與眼動時眼周皮膚的起伏產(chǎn)生靜電感應(yīng)作用，在不同的眼動動作中生成了特定的可分辨信號，可實現(xiàn)眼球追蹤、眨眼檢測，該非接觸式眼動檢測機理與之前所報道的可穿戴眼動追蹤技術(shù)不同，是一種全新的眼動檢測器件。
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計算的材料表面電勢。（e）設(shè)計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。
通過眼動時眼周皮膚起伏狀態(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，該自驅(qū)動眼動追蹤系統(tǒng)可以實現(xiàn)眼球轉(zhuǎn)動和眨眼的精確識別，圖3（e）所示為眼球上、下、左、右四個方向看的特征信號圖。不同方向眼球轉(zhuǎn)動可實現(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一步實現(xiàn)閉眼狀態(tài)的眼動檢測，在快速眼動睡眠檢測領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。
圖3. 靜電傳感界面的陣列及眼動響應(yīng)信號。（a、b）3D眼部掃描圖與眼睛上下看時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）傳感界面陣列的實物圖。（e）眼睛不同方向看的四通道信號圖。（f、g）眼睛不同角度上、下看的四通道信號圖。
借助機器學(xué)習(xí)輔助，本文展示了該系統(tǒng)在視覺喜好分析和眼控鼠標輸入系統(tǒng)的應(yīng)用。如圖4所示為視覺喜好分析系統(tǒng)，作者搭建了九宮格視覺面板，通過靜電傳感界面陣列的特征靜電信號，捕捉眼球上、下、左、右、左上、右上、左下、右下八個方向的眼球轉(zhuǎn)動，通過機器學(xué)習(xí)對信號分類解碼，實現(xiàn)了眼球轉(zhuǎn)動方向的識別與記錄。將凝視點的軌跡簡化為眼球轉(zhuǎn)動方向，可以記錄眼睛在九宮格面板上的凝視點移動的移動軌跡。進一步還原凝視點的停留位置、時間和次數(shù)，可以提供不同內(nèi)容的視覺偏好，為商業(yè)營銷提供有價值的信息。
圖4. 眼動追蹤系統(tǒng)用于視覺喜好分析。（a、b）視覺喜好分析系統(tǒng)的工作流程圖與工作場景圖。（c）機器學(xué)習(xí)混淆矩陣。（d）眼動追蹤的凝視點移動軌跡圖。（e）視覺喜好的結(jié)果分析圖。
如圖5所示為眼動控制人機交互的應(yīng)用。作者將不同次數(shù)的眨眼信號編碼為鼠標的敲擊指令，將不同角度的眼球轉(zhuǎn)動信號編碼為箭頭的移動方向，通過對眼動動作信號的分類解碼與再編碼，可以通過眼動控制鼠標箭頭的移動、右鍵菜單的調(diào)取、命令的選取，實現(xiàn)了眼動控制的鼠標輸入，能夠為漸凍癥患者提供眼動控制的人機交互方式。該自驅(qū)動眼動追蹤系統(tǒng)豐富了眼動追蹤技術(shù)方法，并拓展了基于摩擦納米發(fā)電機的靜電傳感在醫(yī)療、商業(yè)和人機交互領(lǐng)域的應(yīng)用。
圖5. 眼動追蹤系統(tǒng)用于眼動控制鼠標輸入。（a、b）眼控鼠標輸入系統(tǒng)的工作流程圖及其機器學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)圖。（c）不同眨眼次數(shù)信號與對應(yīng)的鼠標輸入信號。（d）不同方向看的信號與對應(yīng)的鼠標移動方向。（e）眼動控制的菜單調(diào)取、命令選擇與文件復(fù)制過程圖。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-39068-2
