ساخت عینک‌ هوشمند برای ردیابی چشم، بدون نیاز به دوربین

به گزارش ایرنا از ستاد فناوری نانو، ردیابی چشم (Eye Tracking) ظرفیت زیادی برای ایجاد تعامل طبیعی بین انسان و رایانه دارد، اما روش‌های موجود هنوز پیچیده و ناراحت‌کننده هستند. سیستم‌های مبتنی بر دوربین نیاز به پردازش پیچیده تصویر دارند و نگرانی‌هایی نیز در بخش حریم خصوصی ایجاد می‌کنند. این حسگرهای لنز تماسی نیز می‌توانند باعث تحریک چشم شوند و روش‌های جایگزین که سیگنال‌های الکتریکی عضلات چشم را اندازه‌گیری می‌کنند، نتایج ناسازگاری ارائه می‌دهند. با وجود دهه‌ها تحقیق، ایجاد فناوری ردیابی دقیق و راحت چشم همچنان یک چالش مهندسی باقی مانده است.

اما چالش‌های فعلی، نیاز به نظارت دقیق بر حرکات ظریف چشم بدون تداخل در دید طبیعی یا ایجاد ناراحتی است. سیستم‌های دوربین باید حجم زیادی از داده‌های تصویری را در زمان واقعی پردازش کنند و تغییرات نور و ویژگی‌های چشم را در نظر بگیرند. حسگرهای لنز تماسی نیز قطعات الکترونیکی را مستقیم روی سطح چشم قرار می‌دهند که ممکن است باعث تحریک شوند. نبود فناوری ردیابی چشم قابل اعتماد و غیرتهاجمی، کاربردهای این فناوری در واقعیت افزوده، فناوری‌های کمکی و نظارت پزشکی را محدود کرده است.

اما راه حل این چالش حسگرهای نوری پروسکایتی است که پیشرفت‌های اخیر در مواد پروسکایتی، ترکیبات بلوری با خواص نوری و الکترونیکی مفید، راه‌حل احتمالی برای حل این مشکل ارائه می‌دهند. این مواد می‌توانند نور را با حساسیت بالا تشخیص دهند و از طریق فرآیندهای ساده و کم‌دمایی تولید شوند. ویژگی‌های منحصر به فرد آن‌ها، این مواد را به گزینه‌ای امیدوارکننده برای ساخت حسگرهای نوری مینیاتوری تبدیل کرده است. بر این اساس دانشمندان چند موسسه تحقیقاتی در چین، عینک‌های هوشمندی توسعه داده‌اند که موقعیت چشم را با استفاده از آرایه‌ای از حسگرهای نوری پروسکایتی (به جای دوربین یا لنز تماسی) ردیابی می‌کنند.

محققان با الهام از فرآیندهای معدنی‌سازی بیولوژیکی، روشی جدید برای رشد بلورهای پروسکایتی توسعه دادند. آن‌ها لایه‌ای از پلی‌آکریلیک اسید سدیم (PAAS) به فرآیند اضافه کردند که بلورهای پروسکایت را به تشکیل ساختارهای بزرگ‌تر و منظم‌تر هدایت می‌کند؛ این کار شبیه به نحوه تشکیل پوسته در موجودات دریایی است. این روش منجر به ایجاد فیلم‌های متیل‌آمونیوم سرب یدید با قابلیت‌های تشخیص نور شد.

حسگرهای پروسکایت بهبودیافته حساسیت قابل توجهی نشان دادند و به تغییرات نور ۳۰۰ برابر قوی‌تر پاسخ دادند. آن‌ها ۲۲.۰۹ آمپر جریان به ازای هر وات توان نور ورودی تولید کردند و پس از آزمایش‌های طولانی در رطوبت معمولی، ۹۱٪ از عملکرد اولیه خود را حفظ کردند.

عملکرد عینک‌های هوشمند

عینک‌های هوشمند شامل یک شبکه از این حسگرها هستند که به‌گونه‌ای قرار گرفته‌اند که نور منعکس‌شده از مناطق مختلف چشم را تشخیص می‌دهند. الگوریتم‌های شبکه عصبی سیگنال‌های حسگرها را در زمان واقعی پردازش می کنند تا موقعیت چشم را تعیین شود. آزمایش‌ها دقت ۹۹.۸۶٪ را نشان دادند. این سیستم حتی با تغییر فاصله بین حسگرها و چشم از ۱۴ تا ۵۶ میلی‌متر نیز دقت خود را حفظ کرد.

کاربردهای عملی و آینده عینک هوشمند

برای نشان دادن کاربردهای عملی، محققان عینک‌های هوشمند خود را به یک ماشین کنترلی متصل کردند. کاربران با استفاده از حرکات چشم، ماشین را از مسیرهای پیچیده عبور دادند. سیستم در کمتر از ۱۳۰ میلی‌ثانیه پاسخ داد، سرعتی که برای کنترل روان ماشین کافی است. عملکرد این سیستم در شرایط نوری مختلف محیط‌های داخلی پایدار باقی ماند.

این فناوری چند محدودیت روش‌های موجود ردیابی چشم را برطرف می‌کند. این سیستم از بار محاسباتی و نگرانی‌های حریم خصوصی سیستم‌های مبتنی بر دوربین اجتناب می‌کند و در عین حال دقت مشابهی ارائه می‌دهد. حسگرهای غیرتماسی نیز ناراحتی ناشی از دستگاه‌های لنز تماسی را از بین می‌برند. تولید مبتنی بر محلول مواد پروسکایت نیز امکان تولید کم‌هزینه را فراهم می‌کند.

سرعت و قابلیت اطمینان این سیستم آن را برای کاربردهای واقعی که نیاز به ردیابی دقیق چشم دارند، مناسب می‌کند. متخصصان پزشکی می‌توانند الگوهای حرکتی چشم را برای تشخیص شرایط عصبی نظارت کنند. افراد با محدودیت حرکتی می‌توانند دستگاه‌های کمکی را از طریق حرکات چشم کنترل کنند. سیستم‌های واقعیت افزوده نیز می‌توانند رابط‌های طبیعی‌تر و بدون نیاز به دست ارائه دهند.

این تحقیق نشان می‌دهد که حسگرهای نوری پروسکایتی می‌توانند ردیابی چشم دقیق و غیرتهاجمی را در قالبی عملی ممکن سازند. ترکیب تشخیص دقیق حرکت، زمان پاسخ سریع و عملکرد پایدار در شرایط مختلف، نیازهای کلیدی برای پذیرش گسترده رابط‌های کنترل‌شده با چشم را برطرف می‌کند.