北京理工大学：研究眼机界面智能传感硬件——从可穿戴到仿生

眼机交互界面（Eye-machine interface, EMI）作为沉浸式人机交互的重要一环，已被应用于VR/AR、自动驾驶、脑机接口、生物医学等领域。但现有EMI传感硬件正在尺寸、重量、功耗（SWaP）及生物兼容性上面临瓶颈，而新型功能材料正通过柔性透明设计、多模态传感和集成策略，推动传感器向小型化、低功耗和高性能发展。鉴于此，北京理工大学沈国震、王卓然团队基于现有研究基础，面向眼动追踪、生物医疗 、视觉恢复等EMI应用，聚焦传感器件原理、新型材料、研究前沿及其未来发展方向，开展了深入讨论（图1），

图1. 用于眼机交互界面的可穿戴与仿生传感器前沿硬件技术概述

1. 眼机交互界面技术

眼动追踪可用于混合现实、人机交互、心理学研究与医疗辅助、教育培训等多个领域，在常见的眼动追踪方法中，眼电图（EOG）测量带负电的视网膜和带正电的角膜间的电位差变化，巩膜搜索线圈（SSC）获取眼部线圈在磁场中移动时产生的电流，视频眼动分析（VOG）基于图像传感器和算法处理瞳孔或角膜反射的图像，眼动追踪硬件通过电、磁、光等不同信号实现了眼睛位置的确定。

眼部生理信息检测可以反馈人体的健康状况，隐形眼镜形式的传感器有助于优化日常健康监测体验，视网膜电图（ERG）测量角膜对于光刺激的电位变化，眼内压（IOP）通过微型应变传感器测量眼内压对眼球曲率带来的变化，热响应材料、葡萄糖反应材料和pH敏感材料则通过电化学或光学方法，分别反映了眼部温度（OST）、葡萄糖水平和pH值，实现了青光眼、干眼症、糖尿病等多种疾病的检测。

视网膜假体及仿生眼则有望帮助眼部疾病更严重的患者重获光明，视网膜修复术通过对视觉产生过程中的不同部位进行电刺激，以生成视觉感知，目前有表层植入、下层植入、超脉络膜植入三种方法，各方法在分辨率和植入难易程度上各有优劣；而仿生眼则是直接模仿生物眼睛的形态和功能，以实现图像从视觉传感到信息处理的全过程。

图2. 视网膜假体与仿生眼原理与结构

2.传感材料前沿

材料是EMI传感硬件的核心，决定了传感器的电学、光学和化学特性，与人体之间的无缝集成还对材料的柔性和透明性提出了要求。硅等常用于半导体的无机材料是刚性的，在直接减薄方法外，还可以通过设计预应变的波浪、构造桥-岛结构、采取剪纸或折纸工艺使材料以获得原本不具有的可拉伸性；有机材料则大多天然柔性，常用的有并五苯和C60等小分子材料，以及PEDOT:PSS和P3HT等高分子聚合物，通过图案印刷工艺和先进封装实现了广泛应用。

低维材料通过尺寸减小可实现不规则表面贴合与柔性化，同时材料尺寸的减小提供了更多的活性位点，增强了光学与电学性能，使其对刺激的响应更加迅速；胶体量子点（CQD）具有强的量子和介电约束，因此电学和光学性质可调，便捷且兼容传统工艺的加工方法使得其可以与其他材料混合以增强性能，同时能有效与CMOS单片集成，从而实现具有增强光电功能的可穿戴应用。

3. 研究前沿

眼动追踪传感器。在光电眼动追踪传感器中，基于红外的VOG是主流技术，但目前的商业产品仍需在框架上安装额外仪器，石墨烯和CQD等以红外敏感、环保、透明度高、ROIC兼容等特点成为有竞争力的替代材料；也可利用稀疏光电探测器替代图像传感器，以牺牲精度的代价获取了低功耗、系统简化和隐私保护；还可以通过超表面的光学设计实现光场解耦，以同时实现眼动追踪和真实世界观察的功能，助力眼动追踪系统简化。

EOG相比VOG具有不受睫毛或眼睑遮挡影响的优势，传统的电极材料接触阻抗高、佩戴体验差，因而碳纳米管/PDMS、银纳米颗粒/PI等纳米复合材料和水凝胶被用来构建可穿戴电极，以获得更好的皮肤共性。还有研究通过机械传感进行眼动追踪，如使用GaN、ZnO压电薄膜构建压电纳米发电机，获取眼球运动时的压电电势；通过Ag纳米线与眼睛的非接触静电感应制作摩擦纳米发电机，实现自供能传感。各种技术方法在设备形式、传感机制和技术状态上各有优劣，但都在朝着优化尺寸、功耗、性能的方向发展（图3）。

图3. 可穿戴眼动追踪研究进展

智能隐形眼镜式传感器。诊断治疗智能隐形眼镜能够实现连续、长期的眼部健康监测，对基于EMI的生物医学和医疗保健应用至关重要（图4）。传统ERG传感器使用了刚性电极带来了不适感，而墨水直写的石墨烯电极实现了透明、透氧、可湿润、生物相容等特性；通过抑制葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶，葡萄糖的氧化过程将在晶体管中产生电流，以助力糖尿病无感监测。

面对放大读出等附加电路的障碍，IOP传感器可利用LC电路将机械形变转换为谐振频率偏移，或将应变转化为微流体位移，使用手机进行光学识别；泪液温度可使用热致变色的荧烷染料，pH值通过溴麝香草酚蓝和甲基红等pH敏感材料，反馈在外在颜色的变化，通过摄像头进行比色识别。在医疗应用平台中，药物输送也不可或缺，通过无线功率传输电路驱动抗青光眼药物角膜给药、利用pH变化时包裹药物的聚合物链的断裂实现按需释放药物以避免过度用药带来的副作用。

图4. 面向健康监测的智能隐形眼镜式传感器研究进展

视觉恢复与仿生眼。视网膜假体中，自供电集成光伏器件已成为主要选择，其可以提供足够的刺激电压以引起神经反应，PEDOT:PSS，P3HT，PCBM等柔性材料可作为光伏假体的下表面以优化佩戴体验；还有部分系统通过外部相机捕获视觉信息，无线传输至植入的电极阵列，这些方案对神经编码匹配、刺激电极的生物相容性及高密度刺激提出了需求。

另一方面，受生物模拟生物视觉系统的形态和功能启发，前沿研究直接采用半球形的光电二极管构建仿生眼结构。例如，在半球形多孔阳极氧化铝中填充生长钙钛矿纳米线阵列，更精确的模仿了视网膜细胞的形态。但仅仅是人眼形状的传感器距离仿生眼的设想还很遥远，其缺乏信息传输及解码处理的步骤，需要脑机接口技术的参与。

近年来，在生物启发下，研究前沿实现了多种具有特殊功能的仿生传感器。例如，通过模拟复眼结构实现了宽视场角，低像差和近乎无限的景深；使用狭缝瞳孔和金属反射层以模拟猫眼结构，在过滤冗余信息的同时易于检测不同照明下的遮挡物体；受鸟类眼睛的中央凹启发，实现了多光谱成像能力；利用热敏聚合物纳米线阵列实现室温中长波红外成像，获得了与蛇类似的红外感知能力。

图4. 植入式视网膜假体传感器研究进展

4. 总结与展望

眼机交互界面是智能物联网（AIoT）时代的关键技术，在可穿戴与仿生传感领域取得了关键进展，带动了相关产业与研究前沿的高速发展。下一代的传感器硬件旨在突破SWaP?优化的极限，构建高效能、多功能、智能化的系统应用架构。本文从三方面分析阐述了实现新一代EMI传感器的技术路径：

柔性透明形态设计。非平面的柔性设计可以提供更广的视场角和更低的光学畸变，简化EMI系统并提高性能，目前通过不规则基板喷墨打印、平面制造后切割折叠、电子纺织品等途径实现；透明度是EMI应用的另一个关键因素，能帮助提升设备的普适性和美观性，达成该指标的主要策略有半导体减薄、微孔阵列透光窗口和光谱选择性设计。

传感计算一体化架构。传统冯诺依曼架构需要传输大量无关数据，导致了延迟、功耗高和低效率，神经形态传感器通过模拟生物神经系统，可以在传感器级别进行预处理，简化系统架构并提高能效，如超线性光响应可增强强光敏感，抑制背景噪声；短期光电流累计器件能在单帧中编码空间和时间信息；电导可调器件能实现低水平数据过滤，仅记录长时间的强刺激，还具有执行神经网络等更高级功能的潜力。

神经形态通信方法。EMI的最终愿景是将传感硬件与大脑间实现无缝通信，特别是假肢和仿生设备。不同于基于CMOS的机器视觉技术，在生物视觉系统中，光感受器接收光刺激并向突触释放神经递质，如果神经节神经元接收到的神经递质信号足够大，就会触发类似尖峰的动作电位，通过模仿生物神经系统的动作电位，可以实现更高效的通信。不断涌现的器件物理学成果正在为小型化、低功耗、高性能视网膜修复术及脑接口仿生眼提供重要途径。

审核编辑 黄宇