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(dòng)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(gè)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。
（來源：DanielJurena/ Flickr / Wikimedia Commons）
這是第一次眼電信號(hào)控制軟性機(jī)器的實(shí)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)（Shengqiang Cai ）團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究發(fā)表在材料學(xué)期刊 Adv Funct Mater 上。
眼電信號(hào)來控制
圖丨仿生軟鏡片的設(shè)計(jì)與制作：a）人眼的示意圖。眼外肌控制眼球的運(yùn)動(dòng)，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(jì)。兩個(gè) DE 膜和鏡片形成雙錐形結(jié)構(gòu)，每一個(gè) DE 膜都具有 4 個(gè)獨(dú)立的活動(dòng)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(gè)電極。c）當(dāng)在一側(cè)上的一對(duì) DE 薄膜上施加電壓時(shí)（如紅色所示），可以通過 DE 薄膜的膨脹引起透鏡的平面移動(dòng)。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。（來源：Adv Funct Mater）
這款相機(jī)利用的原理是眼電信號(hào)。人眼的角膜與視網(wǎng)膜之間存在電勢(shì)差，當(dāng)眼球運(yùn)動(dòng)時(shí)，角膜與視網(wǎng)膜之間的電勢(shì)差會(huì)隨眼球運(yùn)動(dòng)而不斷變化，這個(gè)即眼電信號(hào)。眼動(dòng)信號(hào)測(cè)量技術(shù)成本低，且測(cè)量精確，容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)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(gè)電極。軟透鏡的變焦和運(yùn)動(dòng)是通過 DE 膜的電勢(shì)誘導(dǎo)實(shí)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(dòng)鏡片。
受試者眼睛周圍有 5 個(gè)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(dòng)時(shí)，鏡頭會(huì)相應(yīng)移動(dòng)。
由于 DE 膜可以快速響應(yīng)，軟鏡片的運(yùn)動(dòng)和變形可以很容易與眼睛運(yùn)動(dòng)同步。經(jīng)過程序設(shè)定后，當(dāng)用戶眨眼兩次即可實(shí)現(xiàn)鏡頭放大，再次眨眼兩次后，則是鏡頭縮小。
目前的這個(gè)軟鏡頭并非是可佩戴設(shè)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(gè)距離科幻片里的可佩戴智能鏡頭還有工業(yè)實(shí)現(xiàn)的距離。
專訪蔡盛強(qiáng)：任何生物信號(hào)都可以用來做接口
記者：這是一個(gè)相機(jī)，還是說是個(gè)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(gè)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。
記者：這個(gè)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(dòng)，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(dòng)。
記者：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(shí)用軟鏡頭我們并不是第一家，但我們這次有兩個(gè)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(shí)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(dòng)，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(hào)來操控軟鏡頭運(yùn)動(dòng)和變焦。由于使用柔軟材料，透鏡焦距的相對(duì)變化可以通過變形達(dá)到 32％。
記者：怎么看待軟鏡頭的信號(hào)誤判？
蔡盛強(qiáng)：生物信號(hào)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(hào)處理的時(shí)候，誤判在所難免。
如果信號(hào)中的峰值或谷值未被識(shí)別出，鏡片可能會(huì)移動(dòng)到相反方向，或沒有觸發(fā)鏡頭移回。眼動(dòng)有時(shí)也可能被誤判為雙眨眼，導(dǎo)致鏡頭意外變焦。
目前信號(hào)判斷準(zhǔn)確率能達(dá)到 90%，能采取的糾錯(cuò)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(gè)重啟機(jī)制。
記者：這個(gè)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(duì)于生物信號(hào)捕獲和處理更有效，以及人的舒適度也會(huì)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(shí)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(duì)于這個(gè) 10% 以內(nèi)的誤判率，我們可以再加一套生物信號(hào)比如語音，讓兩套生物信號(hào)來控制就可以降低誤判率。
記者：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?yàn)槲覀儚?qiáng)項(xiàng)不在那個(gè)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(xiàng)。當(dāng)然，有不少人聯(lián)系我們?cè)儐枺渲杏嗅t(yī)生給我們發(fā)郵件，問這個(gè)裝置能不能幫我們解決一下白內(nèi)障問題。
記者：如何看待這個(gè)作品的商業(yè)前景？
蔡盛強(qiáng)：我們沒有太去注重生產(chǎn)工藝，那也并不是我們的強(qiáng)項(xiàng)，我們更看重創(chuàng)新點(diǎn)。當(dāng)然下一步如果有產(chǎn)業(yè)界和我們合作，我們是有意愿的。
圖 | 脈搏信號(hào)也可以用來操控裝置。（來源：蔡盛強(qiáng)）
記者：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(hào)研究相對(duì)比，你覺得有什么比較嗎？
蔡盛強(qiáng)：我覺得他那個(gè)腦機(jī)接口研究更商業(yè)化，相對(duì)腦電波，眼電信號(hào)的研究更為明確。雖然我選擇的是眼電信號(hào)，然后用在了軟的透鏡上，其實(shí)任何生物信號(hào)都可以用來做接口，比如說我們也在嘗試用心電信號(hào)做一個(gè)裝置，可以像心臟那樣跳動(dòng)。
蔡盛強(qiáng)（Shengqiang Cai ），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(jì)和生物力學(xué)、3D 制作等。
-End-
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%3D
