人眼仿生鏡頭問世：「終結者」的裝備，環顧或眨眼即可操控

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像空間，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，那麼就是 007 詹姆斯·邦德的標配，或者是「終結者」的裝備了。

（來源：DanielJu?ena/ 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，加州大學聖地亞哥分校（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製作：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，環形碳油脂電極塗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於可穿戴設備。

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於人眼的晶狀體，這樣就可以模仿眼睛結構。

環形碳油脂電極塗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於變焦，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。

由於 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。經過程序設定後，當用戶眨眼兩次即可實現鏡頭放大，再次眨眼兩次後，則是鏡頭縮小。

目前的這個軟鏡頭並非是可佩戴設備，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。

視頻丨眼球運動能夠控制這個軟鏡頭的移動。（來源：Adv Funct Mater）

專訪蔡盛強：任何生物信號都可以用來做介面

DeepTech：這是一個相機，還是說是個眼鏡裝置，怎麼定性它呢？

蔡盛強：都可以。我們相當於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。

DeepTech：這個軟鏡頭能夠快速響應，為什麼能響應這麼快？

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，這就相當於人的肌肉， 眼電電壓可以用來控制其變形和移動。

DeepTech：與此前的軟鏡頭研究相比，你們的突破體現在什麼地方？

蔡盛強：其實用軟鏡頭我們並不是第一家，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。這裡用到兩組人造肌肉，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。由於使用柔軟材料，透鏡焦距的相對變化可以通過變形達到 32％。

DeepTech：怎麼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%，能採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。

DeepTech：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，對於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，其折射率並非均勻，那麼我們可以換成水凝膠，就可以做成有梯度的材料。

對於這個 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。

DeepTech：現在有沒有在嘗試，下一步做成什麼產品嗎？

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，有不少人聯繫我們詢問，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。

DeepTech：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，那也並不是我們的強項，我們更看重創新點。當然下一步如果有產業界和我們合作，我們是有意願的。

圖 | 脈搏信號也可以用來操控裝置。（來源：蔡盛強）

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DeepTech：馬斯克也在研究腦機介面，也是人機界面的研究，跟你們眼電信號研究相對比，你覺得有什麼比較嗎？

蔡盛強：我覺得他那個腦機介面研究更商業化，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，然後用在了軟的透鏡上，其實任何生物信號都可以用來做介面，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 ），加州大學聖地亞哥分校（UCSD）機械與航空工程系副教授。畢業於中國科技大學力學與機械工程系，於 2011 年獲得哈佛大學機械工程專業的博士學位，並於 2011 年到 2012年 在麻省理工學院從事博士後工作。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 製作等。

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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=

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