Группа ученых из Нанкина (Китай) разработала новый тип умных контактных линз с радиочастотными метками, предназначенных для окулографии (eye-tracking). Изделия находят широкое применение в сфере здравоохранения и технологий дополненной реальности (AR). Ключевыми особенностями линз являются биосовместимость, незаметность для окружающих, а также работа без встроенного аккумулятора и традиционных кремниевых чипов.

Умные контактные линзы, способные отслеживать различные физиологические показатели и обеспечивать интерфейс «человек-машина» (HMI), относятся к числу перспективных технологий. Традиционные методы окулографии, такие как отслеживание по центру зрачка и роговичному рефлексу или электроокулография (ЭОГ), имеют ограничения, включая недостаточную точность и подверженность помехам. Метод ЭОГ, использующий накожные электроды для сбора данных, также создает риск раздражения кожных покровов.

Результаты нового исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, предлагают решение этих проблем. Соавтор публикации, профессор Фэй Сюй из Инженерного колледжа прикладных наук Нанкинского университета, так прокомментировал предпосылки к разработке: «В фильме "Миссия невыполнима: Протокол Фантом" была предложена концепция умной контактной линзы с функцией распознавания лиц. Если небольшие контактные линзы смогут обеспечить бесшовное сочетание виртуального и реального миров, это станет высшей формой технологии AR. Технология человеко-машинного взаимодействия на основе окулографии — один из важнейших компонентов этого процесса».

Человеко-машинное взаимодействие

HMI, изучающее способы коммуникации между человеком и машиной для повышения эффективности, способно произвести революцию в таких областях, как игровая индустрия, здравоохранение, AR и робототехника. Окулография через умные контактные линзы позволяет отслеживать параметры здоровья, упрощать управление роботами и обеспечивать более захватывающий AR-опыт. Однако существующие методы окулографии сталкиваются с рядом препятствий, что обусловило необходимость нового подхода.

Технология частотного кодирования

Исследователи предложили метод частотного кодирования, при котором информация о движениях глаз преобразуется в радиочастотные (RF) сигналы. Эти сигналы генерируются RF-метками, встроенными в контактные линзы. RF-метки (также известные как RFID-чипы) работают беспроводным способом и не требуют батарей, что делает их идеальными для данного применения.

Каждая метка излучает уникальный частотный сигнал, соответствующий определенному движению или положению глаз. При движении глаза положение RF-меток меняется, что вызывает изменение частоты излучаемого сигнала. Анализируя эти частотные изменения, система может в реальном времени определять направление и амплитуду движений глаз. Данный метод обеспечивает точное отслеживание без использования обычных кремниевых чипов или батарей, что позволяет создавать более компактные, легкие и биосовместимые умные контактные линзы.

Профессор Сюй пояснил преимущества технологии с точки зрения безопасности: «Применение этой технологии исключает возможность утечки данных о радужной оболочке и другой биометрической информации. Информация о движении глаз человека содержит механизм внимания мозга, и, отслеживая движение глаз, можно анализировать намерения человека. Для использования информации окулографии требуется авторизация пользователя».

Разработка и тестирование умных контактных линз

Исследователи встроили четыре RF-метки в силиконовый эластомер, обеспечив биосовместимость умных линз. Были проведены тесты для минимизации токсичности для роговицы и воспалительных реакций. Переносной регистратор с разверткой частоты записывал и анализировал сигналы от RF-меток, выполняя функцию компонента HMI.

Тесты подтвердили, что данные линзы точно определяют направления взгляда и точки фиксации в реальном времени, что полезно для управления роботами и взаимодействия с программным обеспечением. Линзы сохраняют стабильность в различных условиях до 12 часов и способны регистрировать момент закрытия века.

Профессор Сюй подчеркнул высокую угловую точность разработки: «Наши окулографические контактные линзы обладают высокой точностью: погрешность измерения угла движения глаза составляет менее 0,5 градуса, что даже меньше угла обзора, обеспечиваемого центральной ямкой сетчатки (фовеа)». Также была продемонстрирована возможность управления играми и веб-серфингом с помощью команд глазами. Функциональность и безопасность линз была подтверждена в экспериментах in vivo на кроликах.

«Окулография in situ может быть реализована с помощью контактных линз, которые малы, легки, не бросаются в глаза, совместимы с модой и не мешают межличностному социальному взаимодействию», — добавил профессор Сюй.

Потенциальные области применения

Устройство Apple Vision Pro вызвало повышенный интерес к потенциалу человеко-компьютерного взаимодействия на основе движения глаз. «Контактные линзы — это высшая форма AR. Бесшовная интеграция виртуального мира и реального мира посредством контактных линз была изображена во многих научно-фантастических произведениях».

Профессор Сюй заключил: «С развитием оптоэлектронных технологий и повышением уровня гибкой интеграции оптоэлектронных устройств контактные линзы будут реализовывать все больше функций в области человеко-машинного взаимодействия и медицинского здоровья». Данное достижение обещает стимулировать технологические инновации и повышать качество жизни.

Источник:

Hengtian Zhu et al, Frequency-encoded eye tracking smart contact lens for human machine interaction, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-47851-y