现实版“头号玩家”——一眼追踪与表情识别

研究背景

眼球追踪是一项革命性的技术，它可以通过解码眼球运动、注视点和眨眼来提供有关人类视觉行为、注意过程、甚至决策过程的信息，在医学、商业和工程领域有着巨大的应用。例如，眼球追踪器已被应用于认知功能的康复，辅助患有肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS) 的人，如斯蒂芬-威廉-霍金，确定消费者的产品偏好，并以视觉现实(VR)系统作为人机互动的一种方法。因此，眼球追踪系统的发展对于基于眼球的健康监测、人机工程改进和商业分析的繁荣尤为重要。到目前为止，已经提出了许多不同的方法来实现眼球追踪，包括巩膜搜索线圈，共振(MR)，视频眼球摄影和眼球摄影。然而，眼球追踪技术仍有未解决的问题。巩膜搜索线圈需要在眼睛里安装侵入性线圈，这可能会引起眼睛感染，而且不能避免眼睛旋转时的滑动。核磁共振追踪器独立依靠繁琐的设备，导致便携性不足。至于视频眼动仪，基于从巩膜反射的红外光，高分辨率是一个明显的优势，但由于隐私问题和摄像机的尴尬位置，它的便携性相当有限。眼电图(EOG)传感器也是一种基于电信号的有前途的方法。它在理论上拥有基于正角膜和负视网膜的眼睛偶极子的高分辨率，并已被应用于人机界面和诊断。然而接触模式电极(通常含有Ag/AgCI)的有限透气性和感染风险可能会引起不适的感觉。因此，探索基于电信号的眼球追踪的新方法仍然是至关重要的。

静电感应是一种众所周知的现象，起源于几百年前，近几十年来，主要由于摩擦纳米发电机(TENG)的快速发展而引起了人们的极大兴趣。基于TENG 的可穿戴传感器由于其低成本、高灵敏度和多模式操作而被用于化学或生物检测。TENG 电介质膜上的静电可以在周围区域产生静电场，而移动的物体，如带电体和导体，能够引起不同强度的场，从而产生可检测的电信号。TENG 具有将低频不规则机械能转化为电能的能力，这可以降低运动检测的复杂性，有助于建立一个主动的非接触传感器系统。因此，TENG已被应用于各种传感领域的手势识别和运动映射，并且在眼球追踪领域也有很大的应用潜力。

研究成果

眼球追踪为通过观察眼球运动来分析视觉注意力和潜在的思维进展提供了有价值的洞察力在此，北京纳米能源与系统研究所王中林院士&陈翔宇研究员团队提出了一种透明、灵活和超持久的静电传感界面，用于实现基于静电感应效应的主动眼动跟踪(AET)系统。通过与电介质双层和粗糙表面的银纳米线ANW)电极层相结合的三层结构，静电界面的固有电容和界面捕获密度得到了强烈的增强，有助于实现空前的电荷存储能力。经过1000次非接触操作循环，界面的静电电荷密度达到167110 uC m-2，电荷保持率为96.91%，最终可以实现角度分辨率为5°的眼球检测。因此，AET 系统能够实时解码眼球运动，用于记录客户的偏好和眼球控制的人机交互，支持其在商业目的、虚拟现实、人机交互和医疗监测方面的无限潜力。相关研究以“Eye tracking and eye expression decoding based on transparent， flexible and ultra[1]persistent electrostatic interface”为题发表在Nature Communications期刊上。

图文导读

Fig. 1 | Schematic illustration of TENG-based electrostatic interface.

Fig. 2 | Material-dependent optimization of the interface.

Fig. 3 | Eye movement patterns and related improvements of the interface array.

Fig. 4 | A real-time eye tracking system applied for preference analysis.

Fig. 5 | Demonstration of an eye-controlled input modality.

总结与展望

作者提出了一种基于柔性、透明和高持久性静电界面的非接触式眼球追踪系统，它可以根据带电界面和眼周皮肤之间的静电感应来产生输出电压信号。通过在PDMS上对PCTFE进行光栅化处理，制作了厚度为20um 的可拉伸双层膜，由于PDMS 在接枝PCTFE 时采用了自由基处理，因此其裂纹表面得到了改善。此外，以纳米级粗糙表面蚀刻的 AgNWs 作为电极，AgNWs 的诱导锯齿表面可以增加其固有电容，从而增强电荷保持能力。三层 (电介质双层和粗糙电极)的放大电荷存储效应实现了 1671.10 uC m-2的高表面密度，在1000次非接触操作循环后，静电荷的持久性达到96.91%。在湿度低于90%和空气流速为8.1m/s的情况下，该界面的输出性能稳定，而输出电压可以随着温度的升高而增加，这是一个有趣的现象。基于简单的静电感应效应，这种效应可以实现超灵敏的非接触感应界面，用于跟踪眼球运动和相关的皮肤波动。通过3D 脸部扫描分析眼周皮肤的波动，研究了界面阵列的配置，优化后的阵列被安排在方言到眼球上方和下方的两个垂直通道，以及位于下眼睑两侧的另两个水平通道。因此，该接口阵列可以检测到眨眼和眼球运动的角度分辨率为 5°，它还能够解码闭眼的眼球运动方向。最后，建立了一个基于深度学习过程的AET 系统。我们展示了该系统在实时解码眼球运动和凝视回放以分析商业偏好方面的应用。然后，展示了一个由眼睛控制的人机互动，作为解放双手或帮助ALS 患者的一种方法。AET 系统被认为是一个很有前途的通道，可用于商业和工程的广泛应用，但不限于监测快速眼动睡眠以及疲劳驾驶的警告。眼镜集成的传感界面及其非接触式跟踪机制赋予了这个AET 系统更强的便携性和可穿戴性，而EOG传感器可能会因为皮肤呼吸和感染风险而带来不适感。同时，简单的结构、非接触的工作方式和近距离的跟踪能力使这个基于TENG的跟踪器值得推广。

文献链接

Eye tracking and eye expression decoding based on transparent, flexible and ultra-persistent electrostatic interface

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39068-2

转自：“i学术i科研”微信公众号

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