人眼仿生鏡頭問世“終結(jié)者”的裝備，環(huán)顧或眨眼即可操控

孫滔

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(huán)顧可左右旋轉(zhuǎn)，眨眼可變焦。這只是一個產(chǎn)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(jī)，可以是任何柔性機(jī)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(biāo)配，或者是“終結(jié)者”的裝備了。

這是第一次眼電信號控制軟性機(jī)器的實現(xiàn)。7月16日，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）機(jī)械與航空工程系副教授蔡盛強(qiáng)團(tuán)隊的這項研究發(fā)表在材料學(xué)期刊《Adv Funct Mater》上。

眼電信號來控制

這款相機(jī)利用的原理是眼電信號。人眼的角膜與視網(wǎng)膜之間存在電勢差，當(dāng)眼球運(yùn)動時，角膜與視網(wǎng)膜之間的電勢差會隨眼球運(yùn)動而不斷變化，這個即眼電信號。眼動信號測量技術(shù)成本低，且測量精確，容易實現(xiàn)長時間記錄以及更適合應(yīng)用于可穿戴設(shè)備。

軟鏡頭外殼是電活性的聚合物薄膜，也是電介質(zhì)柔性膜（DE膜）。鏡頭內(nèi)容物鹽水相當(dāng)于人眼的晶狀體，這樣就可以模仿眼睛結(jié)構(gòu)。環(huán)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(yùn)動是通過DE膜的電勢誘導(dǎo)實現(xiàn)的。聚合物外殼凸起的話就相當(dāng)于變焦，鏡頭的聚合物環(huán)以膨脹或收縮來移動鏡片。

受試者眼睛周圍有五個電極線，這樣就可以感知眼球中的電位，當(dāng)受試者眼球上下左右活動時，鏡頭會相應(yīng)移動。由于DE膜可以快速響應(yīng)，軟鏡片的運(yùn)動和變形可以很容易與眼睛運(yùn)動同步。經(jīng)過程序設(shè)定后，當(dāng)用戶眨眼兩次即可實現(xiàn)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(shè)備，五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(yè)實現(xiàn)的距離。

仿生軟鏡片的設(shè)計與制作：

a）人眼的示意圖。眼外肌控制眼球的運(yùn)動，晶狀體的焦距可以通過環(huán)狀睫狀肌的收縮而改變。

b）仿生軟鏡片的設(shè)計。兩個DE膜和鏡片形成雙錐形結(jié)構(gòu)，每一個DE膜都具有4個獨立的活動區(qū)域，環(huán)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(dāng)在一側(cè)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(huán)形 DE膜的膨脹可以減小兩側(cè)膜的曲率，從而增加鏡片的焦距。

專訪蔡盛強(qiáng)：任何生物信號都可以用來做接口

蔡盛強(qiáng)，加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）機(jī)械與航空工程系副教授。畢業(yè)于中國科技大學(xué)力學(xué)與機(jī)械工程系，于2011年獲得哈佛大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)的博士學(xué)位，并于 2011年到 2012年在麻省理工學(xué)院從事博士后工作。主要從事研究領(lǐng)域包括軟材料力學(xué)、固體的電化學(xué)力學(xué)、能源材料力學(xué)、仿生學(xué)設(shè)計和生物力學(xué)、3D制作等。

問：這是一個相機(jī)，還是說是個眼鏡裝置，怎么定性它呢？

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

問：這個軟鏡頭能夠快速響應(yīng)，為什么能響應(yīng)這么快？

蔡盛強(qiáng)：傳統(tǒng)機(jī)器人基本上都是馬達(dá)或者齒輪驅(qū)動，而軟體機(jī)器人需要用到DE膜，這就相當(dāng)于人的肌肉，眼電電壓可以用來控制其變形和移動。

眼球運(yùn)動能夠控制這個軟鏡頭的移動

問：與此前的軟鏡頭研究相比，你們的突破體現(xiàn)在什么地方？

蔡盛強(qiáng)：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(jié)構(gòu)上做了創(chuàng)新。相機(jī)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(xiàn)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(yùn)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(yùn)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(dá)到32%。

問：怎么看待軟鏡頭的信號誤判？

蔡盛強(qiáng)：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(fā)鏡頭移回。眼動有時也可能被誤判為雙眨眼，導(dǎo)致鏡頭意外變焦。

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

問：這個產(chǎn)品雛形還有哪些改進(jìn)之處？

蔡盛強(qiáng)：這畢竟是產(chǎn)品雛形。比如說我們用的電極線是直接買的商業(yè)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(nèi)容物是鹽水，透鏡的球形形狀和流體的均勻折射率導(dǎo)致光學(xué)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(nèi)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。

問：現(xiàn)在有沒有在嘗試，下一步做成什么產(chǎn)品嗎？

蔡盛強(qiáng)：沒有，因為我們強(qiáng)項不在那個地方，到下一步真正的產(chǎn)品還是有距離的，但這不是大學(xué)研究的強(qiáng)項。當(dāng)然，有不少人聯(lián)系我們詢問，其中有醫(yī)生給我們發(fā)郵件，問這個裝置能不能幫我們解決一下白內(nèi)障問題。

問：如何看待這個作品的商業(yè)前景？

問：馬斯克也在研究腦機(jī)接口，也是人機(jī)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(qiáng)：我覺得他那個腦機(jī)接口研究更商業(yè)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。