一名漸凍癥患者該如何突破身體的桎梏，與外界重建聯系？眼動追蹤技術成為重要的輔助工具。然而，現實中，當患者試圖通過傳統眼動追蹤設備控制輪椅移動時，沉重的頭戴裝置、纏繞的電源線纜與頻繁的低電量提醒，往往在他們與自主行動之間豎起了一道“高墻”。
如何讓眼球運動成為更便捷、更自由的交互方式？近日，青島大學物理科學學院教授龍云澤團隊與合作者，成功研發出全球首套輕量級自供能眼球追蹤系統。該系統運行電力完全源于使用者眨眼時隱形眼鏡與眼球摩擦產生的微弱電能。佩戴該系統，漸凍癥患者可直接通過眼部動作控制輪椅等外部設備，無需再依賴外接電源。相關成果近日發表于《細胞報告物理科學》。
傳統設備存在弊端
當前主流眼動追蹤技術主要分為兩類。
一類是基于圖像識別的光學方案。其精度較高，但設備需集成紅外光源與多攝像頭，導致設備笨重、佩戴不適，且持續紅外照射存在潛在生物安全風險，續航與運行穩定性也面臨挑戰。
另一類是基于生物電信號的傳感方案。該方案通過在使用者眼周皮膚貼附電極，來檢測眼球轉動時產生的角膜—視網膜電位差變化。然而，該技術難以精確解析眼球的運動角度，且信號易受面部肌肉活動或環境電磁干擾，可靠性與精度有限。
由于現有成熟產品需外接電源，供能問題也成為傳統眼動追蹤設備使用的一大阻礙。
基于此，龍云澤團隊提出了全新思路：讓眼睛自己“發電”。他們開發出一種基于摩擦電納米發電機單電極模式下的自供電眼動追蹤系統。
這套系統具備諸多優勢，它極致輕便，佩戴感與普通眼鏡無異，且系統運行所需電力完全來自眼球運動，擺脫了電池束縛，實現“能量自給”。與此同時，它還支持高精度檢測，可精確識別2度的最小眼偏角度，眼球運動方向檢測準確率達99%。
眼睛里建“微型電站”
龍云澤介紹，這套系統的研發靈感，萌芽于一次課題組討論。
“當時我們從一些前沿研究中了解到，摩擦納米發電機可應用于監測眼球運動。一位常佩戴隱形眼鏡的學生提出‘為什么不能直接把裝置做到眼睛里面去’，這個大膽的設想一下子點亮了團隊的思路。”龍云澤說，如同冬天脫毛衣時會產生“噼啪”靜電，眨眼時眼球與隱形眼鏡的摩擦也會產生微弱電荷。
基于摩擦納米發電機原理，研究團隊創新設計“隱形眼鏡+框架眼鏡”的雙層協同系統。該系統通過摩擦起電與靜電感應機制，可將眨眼時隱形眼鏡與眼球摩擦產生的微弱機械能直接轉化為電能，在簡化結構的同時提升信號靈敏度。
“其工作機制猶如在眼睛里搭建一座‘微型電站’。”龍云澤說，這座“電站”內部同時集成了“發電機組”和“信號發射臺”。其中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料如同隱形眼鏡貼附于使用者眼球表面，是一臺“微型摩擦發電機”，每當使用者眨眼或轉動眼球，眼球與PDMS材料之間便通過摩擦持續產生電荷。與此同時，一副鏡片四周嵌有透明氧化銦錫（ITO）電極的眼鏡則扮演著“信號發射臺”的角色。透明電極通過靜電感應精準捕捉電荷分布和變化，并將其實時轉化成可識別的電信號，再經由控制電路傳導到外部設備，最終實現精準操控。
要使這一系統穩定運行，材料選擇尤為關鍵。摩擦層PDMS膜需兼具高透光率、高強度、生物相容性和疏水性，以確保在濕潤的眼部環境中穩定工作并耐受摩擦。ITO電極則必須在保持高透光率的同時，具備優異的導電性以靈敏捕捉微弱的電場變化。
研發之路并非坦途。這一設想最初即便在團隊內部也遭遇了質疑：依賴人體自身微弱生物能的設計，能否安全穩定運轉？通過自主設計并迭代改進實驗裝置，經過反復測試，團隊最終以扎實數據驗證了路徑的可行性。
拓展輔助交互新場景
該項目匯聚物理科學、材料科學、生物醫學工程、微電子與控制工程等多領域專家的智慧，并得到香港科技大學教授范智勇團隊的支持。“這是一個典型的學科交叉創新項目，沒有跨學科的緊密協作和學校的支持，這個構想難以落地。”龍云澤說。
目前，該技術雖尚處于實驗室階段，但在醫療康復、消費電子等多個領域擁有廣闊應用前景。這項技術不僅有望為行動受限群體打開一扇無障礙溝通的新窗口，更將為人類與智能設備交互的方式書寫全新底層邏輯。
龍云澤介紹，在醫療康復領域，它有望為漸凍癥等運動功能障礙患者帶來突破性輔助解決方案，患者僅通過自然的眼球轉動，即可控制輪椅，操作電腦等智能設備，從而顯著提升生活自主性與尊嚴感。在消費電子領域，該技術與VR或AR設備的結合將催生真正“解放雙手”的沉浸式交互體驗。在太空作業、智能駕駛等對操作安全性、精確性要求極高的領域，它同樣具備應用前景。
同時，該研究為“自供能生物電子學”這一前沿方向提供了技術支撐。未來，此類技術不僅有望讓機器人獲得更接近人類的感知能力，也可能幫助人類通過自供能電子器件來增強或修復身體功能，開辟人機融合的新路徑。
這項技術要從實驗室走向廣泛應用，還需跨越產業化的一系列挑戰，包括系統長期可靠性驗證、醫療器械合規及與產業生態的融合等。“我們正積極與相關企業對接，探索合作路徑，并積極推進產業化進程。”研究團隊核心成員、青島大學物理科學學院特聘教授張俊說。
