Los avances recientes en dispositivos portátiles y flexibles han revolucionado la interacción humano-máquina (HMI). Estos dispositivos, gracias a sus propiedades ligeras y similares a la piel, permiten una interacción fluida entre los dispositivos inteligentes y el cuerpo humano. Funciones como la detección háptica, el reconocimiento de voz, el reconocimiento de gestos y la captura de movimiento son ahora posibles. En particular, la tecnología de seguimiento ocular se ha convertido en un componente crítico en la HMI, ofreciendo interacciones naturales y eficientes al analizar los movimientos oculares.

Tecnología de seguimiento ocular: La clave para la HMI

Dado que la visión representa el 83% de la información que los humanos utilizan para percibir el mundo, la tecnología de seguimiento ocular es fundamental para mejorar la interacción humano-máquina. Esta tecnología puede detectar intenciones y cogniciones del usuario mediante el análisis de movimientos oculares, facilitando interacciones

Los dispositivos de seguimiento ocular tradicionales suelen basarse en la técnica de reflexión corneal del centro de la pupila, que utiliza luz infrarroja cercana. Sin embargo, este método presenta limitaciones significativas debido a la interferencia de la luz ambiental, la posición incómoda de la cámara y la obstrucción por los párpados y las pestañas del usuario, lo que lleva a un rendimiento deficiente en escenarios cotidianos.

Otra técnica es la electrooculografía (EOG), que utiliza electrodos en la piel para recolectar señales potenciales del ojo, pero es propensa a la interferencia de señales eléctricas musculares y tiene baja precisión. Existe una necesidad urgente de un dispositivo de seguimiento ocular portátil e imperceptible para avanzar en esta tecnología en campos como diagnósticos médicos, ciencia cognitiva y detección de fatiga del conductor.

Lentes de contacto inteligentes innovadoras

Gracias al progreso en la tecnología optoelectrónica flexible, investigadores de la Universidad de Nanjing han desarrollado lentes de contacto inteligentes miniaturizadas. Estas lentes inteligentes pueden proyectar imágenes directamente en la retina, monitorear cambios fisiológicos en tiempo real e integrar diversos tratamientos médicos.

Tecnología de seguimiento ocular basada en Lentes de Contacto

En este contexto, se ha propuesto una nueva lente de contacto inteligente (SCL) para el seguimiento ocular. Utilizando codificación de frecuencia y técnicas avanzadas de preparación esférica, esta SCL consiste en cuatro etiquetas RF pasivas sin chip con diferentes frecuencias de trabajo. Un lector portátil de frecuencia de barrido, instalado en unas gafas frente al ojo del usuario, recoge las señales de las etiquetas de manera inalámbrica. Las variaciones en la intensidad de las señales recibidas, debido a los cambios en los coeficientes de acoplamiento causados por el movimiento ocular, se utilizan para rastrear el punto de mirada y emitir comandos oculares.

Diseño y caracterización de las lentes

La SCL propuesta presenta varias características clave:

  1. Alta Precisión Angular: La SCL de seguimiento ocular logra una precisión angular de menos de 0.5°, menor que el rango de visión de la fóvea central.
  2. Múltiples Modos de Interacción: La SCL admite varios modos de interacción, como pintura continua con los ojos, juegos controlados por los ojos, interacción web, control de cámaras PTZ y conducción de vehículos robóticos.
  3. Excelente Biocompatibilidad: Las pruebas exhaustivas muestran que la SCL tiene baja citotoxicidad e irritación ocular.

El diseño de la SCL incorpora cuatro etiquetas RF integradas en la periferia de la lente. Estas etiquetas proporcionan señales de retrodispersión para la detección del movimiento ocular. Encapsulada en un elastómero de silicona, la SCL mantiene alta permeabilidad al oxígeno y biocompatibilidad. Además, la SCL incluye una capa de lente de contacto comercial para mayor seguridad.

Sistema de seguimiento ocular

El sistema de seguimiento ocular consiste en la SCL y un lector portátil de frecuencia de barrido que detecta las señales de las etiquetas de manera inalámbrica. El lector utiliza un analizador de redes vectoriales (VNA) para recopilar datos. La rotación del globo ocular humano, dividida en direcciones de inclinación y guiñada, altera los coeficientes de acoplamiento de las etiquetas, cambiando la intensidad de la señal y permitiendo la detección del movimiento ocular.

Algoritmo de seguimiento ocular

Se ha desarrollado un algoritmo de seguimiento ocular secuencial en el tiempo basado en un método de calibración implícita de remolino. Este algoritmo proporciona alta precisión para la caligrafía y la pintura ocular en una pantalla virtual. El proceso de calibración implica que el usuario mire un patrón de remolino en una pantalla, con la SCL registrando las señales en cada punto. Luego, se construye un modelo de respuesta utilizando estos datos, lo que permite un seguimiento preciso en tiempo real del punto de mirada.

Usando este algoritmo, se han demostrado varias aplicaciones:

  • Dibujo Ocular: Los usuarios pueden dibujar letras y patrones en una pantalla virtual con alta precisión.
  • Juego de la Serpiente Glotona: El clásico juego se controla con movimientos oculares, cambiando la dirección de la serpiente según los comandos oculares.
  • Interacción Web: Los usuarios pueden cambiar páginas web, desplazarse y tomar capturas de pantalla usando comandos oculares.
  • Control de Cámara PTZ: Los movimientos oculares pueden controlar el giro e inclinación de una cámara PTZ, permitiendo un control preciso del campo de visión de la cámara.

Pruebas y seguridad de las lentes

La funcionalidad y seguridad de la SCL de seguimiento ocular se probaron in vivo utilizando conejos. La SCL capturó con éxito los movimientos oculares de un conejo para controlar un vehículo robótico de manera inalámbrica. Las pruebas de biocompatibilidad, incluyendo estudios de uso durante 24 horas y una semana, no mostraron signos de lesiones corneales, erosión, inflamación o edema. Estos resultados indican que la SCL es tan segura como las lentes de contacto comerciales.

Reflexiones finales

La SCL con codificación de frecuencia representa un avance significativo en la tecnología de seguimiento ocular portátil. Ofrece alta precisión, robustez ante interferencias ambientales y excelente biocompatibilidad. La SCL permite interacciones naturales y eficientes entre el ojo y la máquina, convirtiéndose en una herramienta prometedora para diversas aplicaciones, desde juegos e interacción web hasta diagnósticos médicos y detección de fatiga del conductor.

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