两次眨眼就可放大镜头，再来两次眨眼即可缩小镜头，这是一款通过眼球活动来控制的柔性镜头。随着人眼环顾可左右旋转，眨眼可变焦。

  这只是一个产品雏形，然而其中我们可以有极大的想象空间，它不一定非得是相机，可以是任何柔性机器。如果加上拍照功能，做成隐形眼镜，与谷歌眼镜等可穿戴装备合体的话，那么就是 007 詹姆斯·邦德的标配，或者是“终结者”的装备了。

（来源：DanielJurena/ Flickr / Wikimedia Commons）

  这是第一次眼电信号控制软性机器的实现。7月16日，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）机械与航空工程系副教授蔡盛强（Shengqiang Cai ）团队的这项研究发表在材料学期刊 Adv Funct Mater 上。

眼电信号来控制

图丨仿生软镜片的设计与制作：a）人眼的示意图。眼外肌控制眼球的运动，晶状体的焦距可以通过环状睫状肌的收缩而改变。b）仿生软镜片的设计。两个 DE 膜和镜片形成双锥形结构，每一个 DE 膜都具有 4 个独立的活动区域，环形碳油脂电极涂覆在镜片表面的顶部，盐水则作为另一个电极。c）当在一侧上的一对 DE 薄膜上施加电压时（如红色所示），可以通过 DE 薄膜的膨胀引起透镜的平面移动。d）镜片中环形 DE 膜的膨胀可以减小两侧膜的曲率，从而增加镜片的焦距。（来源：Adv Funct Mater）

  这款相机利用的原理是眼电信号。人眼的角膜与视网膜之间存在电势差，当眼球运动时，角膜与视网膜之间的电势差会随眼球运动而不断变化，这个即眼电信号。眼动信号测量技术成本低，且测量精确，容易实现长时间记录以及更适合应用于可穿戴设备。

  软镜头外壳是电活性的聚合物薄膜，也是电介质柔性膜（DE 膜）。镜头内容物盐水相当于人眼的晶状体，这样就可以模仿眼睛结构。

  环形碳油脂电极涂覆在镜片表面的顶部，盐水则作为另一个电极。软透镜的变焦和运动是通过 DE 膜的电势诱导实现的。聚合物外壳凸起的话就相当于变焦，镜头的聚合物环以膨胀或收缩来移动镜片。

  受试者眼睛周围有 5 个电极线，这样就可以感知眼球中的电位，当受试者眼球上下左右活动时，镜头会相应移动。

  由于 DE 膜可以快速响应，软镜片的运动和变形可以很容易与眼睛运动同步。经过程序设定后，当用户眨眼两次即可实现镜头放大，再次眨眼两次后，则是镜头缩小。

  目前的这个软镜头并非是可佩戴设备，5 根电极线连接人眼周围的肌肉，软镜头是离开人体的。这个距离科幻片里的可佩戴智能镜头还有工业实现的距离。

专访蔡盛强：任何生物信号都可以用来做接口

记者：这是一个相机，还是说是个眼镜装置，怎么定性它呢？

蔡盛强：都可以。我们相当于是做了一个很原始的模型，就看你想往哪边应用了。想做成相机可以，想做成眼镜也可以。

记者：这个软镜头能够快速响应，为什么能响应这么快？

蔡盛强：传统机器人基本上都是马达或者齿轮驱动，而软体机器人需要用到 DE 膜，这就相当于人的肌肉， 眼电电压可以用来控制其变形和移动。

记者：与此前的软镜头研究相比，你们的突破体现在什么地方？

蔡盛强：其实用软镜头我们并不是第一家，但我们这次有两个大的突破。

首先我们是仿生了人眼，在柔性材料和镜头结构上做了创新。相机的变焦需要很大的空间来操控，而人的眼球是软的，可以通过肌肉的微控制来实现变焦。这里用到两组人造肌肉，一组用来控制眼球的上下左右运动，一组用来控制收缩和伸张，就是变焦。

其次，我们是第一次用眼电信号来操控软镜头运动和变焦。由于使用柔软材料，透镜焦距的相对变化可以通过变形达到 32％。

记者：怎么看待软镜头的信号误判？

蔡盛强：生物信号总是有一些噪音，或者是有一些不确定性之处，所以我们信号处理的时候，误判在所难免。

如果信号中的峰值或谷值未被识别出，镜片可能会移动到相反方向，或没有触发镜头移回。眼动有时也可能被误判为双眨眼，导致镜头意外变焦。

目前信号判断准确率能达到 90%，能采取的纠错机制就是你就再来一遍操作，就好比电脑死机，我们就提供一个重启机制。

记者：这个产品雏形还有哪些改进之处？

蔡盛强：这毕竟是产品雏形。比如说我们用的电极线是直接买的商业电极线，它既不是非常柔软也不是可拉伸的，如果能换成柔性更好的电极线，对于生物信号捕获和处理更有效，以及人的舒适度也会高很多。

还有我们软镜头内容物是盐水，透镜的球形形状和流体的均匀折射率导致光学像差。实际上人眼晶状体的折射率还是有梯度的，其折射率并非均匀，那么我们可以换成水凝胶，就可以做成有梯度的材料。

对于这个 10% 以内的误判率，我们可以再加一套生物信号比如语音，让两套生物信号来控制就可以降低误判率。

记者：现在有没有在尝试，下一步做成什么产品吗？

蔡盛强：没有，因为我们强项不在那个地方，到下一步真正的产品还是有距离的，但这不是大学研究的强项。当然，有不少人联系我们询问，其中有医生给我们发邮件，问这个装置能不能帮我们解决一下白内障问题。

记者：如何看待这个作品的商业前景？

蔡盛强：我们没有太去注重生产工艺，那也并不是我们的强项，我们更看重创新点。当然下一步如果有产业界和我们合作，我们是有意愿的。

图 | 脉搏信号也可以用来操控装置。（来源：蔡盛强）

记者：马斯克也在研究脑机接口，也是人机界面的研究，跟你们眼电信号研究相对比，你觉得有什么比较吗？

蔡盛强：我觉得他那个脑机接口研究更商业化，相对脑电波，眼电信号的研究更为明确。虽然我选择的是眼电信号，然后用在了软的透镜上，其实任何生物信号都可以用来做接口，比如说我们也在尝试用心电信号做一个装置，可以像心脏那样跳动。

蔡盛强（Shengqiang Cai ），加州大学圣地亚哥分校（UCSD）机械与航空工程系副教授。毕业于中国科技大学力学与机械工程系，于 2011 年获得哈佛大学机械工程专业的博士学位，并于 2011 年到 2012年 在麻省理工学院从事博士后工作。主要从事研究领域包括软材料力学、固体的电化学力学、能源材料力学、仿生学设计和生物力学、3D 制作等。

-End-

参考：
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%3D