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實現魔鬼終結者般的「資訊視覺」

only-perception
・2011/11/24 ・911字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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隨著一款能為配戴者帶來自動資訊更新的隱形眼鏡原型的開發,一連串的即時資訊從你的視野掠過即將成真。

在一項今日發表於 IOP 旗下期刊 Journal of Micromechanics and Microengineering 的研究裡,研究者打造一款電腦化的隱形眼鏡並將它戴在活生生的眼睛上藉此證明其安全性。目前並未發現不良副作用。

此時,這款隱形眼鏡裝置只包含一個像素,不過研究者將此視為製造多像素隱形眼鏡的「概念驗證」,以後只要有數百個像素就能讓簡短的電郵與文字訊息顯示在你眼前。

這款裝置能將電腦產生的視覺資訊疊加在真實世界上,也能用於遊戲裝置與導航系統中。它也能與使用者體內的生物感應器連結以提供最新的血糖或乳酸濃度資訊

這款隱形眼鏡,由美國華盛頓大學以及芬蘭 Aalto 大學的研究者所創造,由一根天線以及一個積體電路所組成。天線用來收成由外部來源送出的電力,積體電路則用來儲存能量,並將它傳送到一個透明的寶藍色晶片,那包含一個藍色 LED。

一個研究者得要克服的大問題是:「人眼的最小焦距有數公分,無法解析隱形眼鏡上的物體」這個事實。任何投射在透鏡上的資訊看起來都將糊成一團。

為了克服這個問題,研究者將一組 Fresnel 透鏡(譯註名片型放大鏡就是典型的 Fresnel 透鏡)與該裝置整合;這些透鏡比傳統肥厚的透鏡要更薄、更平,被用來使投射在視網膜上的影像聚焦。

在自由空間中測試這款隱形眼鏡後,在嚴格的實驗室動物使用指導方針下,將鏡片裝在兔子的眼睛上,用來評估平常將這款隱形眼鏡穿戴在角膜與身上的效益。除了這些視覺化技術外,某種螢光染料也被加到兔子的眼睛上,以測試是否有任何磨損或灼熱感。

在證明這款隱形眼鏡的運作及安全性後,研究者表示,要製造全功能、遠端供電、高解析度的顯示器,需要很大的改善。例如,這款裝置在自由空間中能以無線方式,從大約一公尺外的距離提供電力,不過當置於兔眼上,距離只剩約二公分。

本研究的共同作者,Babak Praviz 教授表示,「我們需要改良天線設計與相關的配對網路並最佳化傳輸頻率,以達成無線電力傳輸範圍的全面改善。」「不過,我們下一個目標是要將某些預先設置好文字整合到隱形眼鏡中。」

資料來源:PHYSORG:Terminator-style info-vision takes step towards reality[November 21, 2011]

轉載自only-perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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聰明的隱形眼鏡,替眼睛做健康檢查!
科技大觀園_96
・2021/07/17 ・2205字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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戴隱形眼鏡可以幹嘛?除了矯正視力,或讓虹膜看起來變大變漂亮,現在隱形眼鏡還能幫你的眼睛做健康檢查!交通大學電機工程系教授邱俊誠的團隊開發出一款智慧型隱形眼鏡,只要戴上,就能檢測眼球溫度、淚液蒸散速率、滲透壓、眼壓等數據,可提供眼科醫生做為診斷依據,協助研判病患是否有輕微或嚴重的乾眼症或青光眼症狀。

眼疾的檢測更準確,治療方法升級

這項研究對於眼睛的檢測帶來很大的突破,因為它可望讓眼疾的檢測變得方便快速,還能讓治療變得更加精準。乾眼症的成因不只一種,可能是淚液分泌不足,也可能是淚液成分中的油脂不足造成淚液蒸散過快,但過往的檢測方法並不能很有效的區分,因此醫生在給藥時,常常只能用自身經驗,做主觀的判斷。但有了智慧型隱形眼鏡協助檢測,能依據醫生的需求提供更精準的科學數據,也就能讓判斷與投藥更加正確。

邱俊誠團隊開發的智慧型隱形眼鏡,配戴起來如同軟式眼鏡一般舒適,將來有望為眼疾檢測帶來重大突破。圖/邱俊誠提供

而針對青光眼的患者,醫生也可以使用智慧型隱形眼鏡的數據,找出容易眼壓高的時間點,針對這些時間點給予藥物治療。邱俊誠進一步解釋:「這些檢測數據是珍貴的大數據資料,等到累積夠多數據,醫生或藥物開發商就可以分析出更準確的藥物配方。」因此這項研究成果一公布,立刻引起了各界關注。

另一個引起大家注意的重要原因,在於這是第一個可以戴得舒服的智慧型隱形眼鏡。目前全世界大部分的智慧型隱形眼鏡研發,都是以硬式鏡片做為基礎,但邱俊誠說:「我們一開始就是從『可配戴』的角度當出發點,因此是以現有的軟式隱形眼鏡材料矽水膠去做設計。」他們將可測量溫度、濕度、壓力等各種特性的感測器、處理晶片,以及傳輸資料用的天線等元件,就像三明治的內餡一樣夾在鏡片的夾層裡,因此配戴時的感覺,就和普通的隱形眼鏡一樣。

研究團隊把各種感測器、晶片、天線等元件夾在鏡片裡面。圖/邱俊誠提供

一度產生懷疑……真的做得出來嗎?

從 2011 年開始研發,到 2019 年宣布成功,這條路走了八、九年,邱俊誠表示:「其實並不是沒想過放棄,因為中間有太多困難,讓我一度沮喪,覺得看不到答案。」 

要做出這款智慧型隱形眼鏡,其中一個困難點在於元件的整合,儘管感測器都已經設計得非常精巧,靈敏度也夠高,但要整合在小小的曲面鏡片裡,還要能有效運作,有許多細節需要考量。邱俊誠舉例說,這些元件的檢測及訊號傳遞,需要從外界以無線電方式提供能量,能量過低無法啟動元件,能量過高可能造成鏡片溫度上升,因此光是能量的傳遞就花了許多時間研究。

另外,「隱形眼鏡是要戴在人眼上運作的,一旦牽涉到人,就會增加許多變異。」邱俊誠以裝在鏡片內的天線舉例,天線的設計必須將人戴上隱形眼鏡後的實際狀況納入考量,因為人眼會帶著隱形眼鏡移動,要如何讓天線的傳輸沒有死角,不因隱形眼鏡轉了一個角度就無法傳輸,讓團隊花費了不少心力。

幸好,邱俊誠的團隊裡有許多優秀的學生,不斷嘗試各種可能,堅持不放棄,邱俊誠說:「最後終於成功的那一刻,真的是五味雜陳。」

智慧型隱形眼鏡還有更多潛力與可能

目前,這款可以檢測眼睛的智慧型隱形眼鏡已經通過動物實驗,在相容性、毒性、敏感性、刺激性的測試都通過考驗,邱俊誠說:「接下來會進入人體實驗,希望在四、五年內讓產品上市。」換句話說,不久的將來,我們到醫院檢查眼睛,或許不再需要點散瞳、打麻醉、把試紙插入眼睛,而是戴上隱形眼鏡,坐等數據自動傳輸到醫師電腦就好。

而邱俊誠對這款智慧型隱形眼鏡,也希望繼續做更好的調整與設計。目前的鏡片裡沒有電池,能量由外界傳輸提供,因此在檢測時,除了戴隱形眼鏡外,還得戴一個如同一般眼鏡般的裝置來搭配提供能量。邱俊誠說:「我們正在研究如何把電池也整合在隱形眼鏡裡,這樣一來檢測會更方便,看起來也更簡單美觀。」

透過類似一般眼鏡的裝置,為智慧型隱形眼鏡提供能量。圖/邱俊誠提供

在未來,邱俊誠還希望讓智慧型隱形眼鏡有更多功能,舉例來說,如果有一副隱形眼鏡,戴上就能自動調校視力,不論近視幾度,它都會自動改變曲率、厚度,來符合你的度數,這有多好!邱俊誠表示,這種鏡片的困難度在於內部必須要有動力來源才能改變並維持隱形眼鏡的形狀。「雖然困難,但我們已經著手在研究了。」

更甚者,未來在 5G 網路的發展下,智慧型隱形眼鏡可望做到擴增實境(AR),透過隱形眼鏡,可以將世界各角落的即時美景盡收眼底,也能隨時與親朋好友「視訊」,而且就彷彿對方直接在你眼前般真實。相信不久後,我們就能親身體驗到智慧型隱形眼鏡對我們的生活及這個世界帶來的巨大改變。

智慧型隱形眼鏡的未來應用。圖/fatcat11 繪

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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1104 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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隱形眼鏡不只是矯正近視,還可以即時監測血糖濃度
活躍星系核_96
・2019/06/10 ・1924字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

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  • 高翊賢、冷明翰、童筱妍、蘇琬婷、葉曜華

隨著血糖浮動的心情,靠它終於可以舒緩了

號外!號外!大家照過來喔~這款超酷的智慧型隱形眼鏡,不僅輕、薄、短、小,結合了時下最新科技,對於糖尿病患者來說,更是個福音。

憑什麼這樣說呢?就憑它能即時並無痛的監測淚液中的葡萄糖濃度,讓人們不需要時時刻刻擔心在進食或是運動時,可能造成的血糖劇變。糖尿病患者也不用再為了測血糖而挨針受罪了。這款能夠偵測淚液裡葡萄糖濃度的隱眼,除了使用非侵入性的方式外,也不再需要透過鏡片和笨重的儀器連結才能測得數據,可說是方便了不少。

南韓科學家創新設計,突破舊有智慧隱眼的困境

其實利用隱形眼鏡作為偵測器並非新想法。在 2014 年一月,Google便宣布要研發「Google Contact Lens」,希望能透過淚液監測葡萄糖濃度。但最大的問題在於,融合了電子元件的智慧隱眼,其不透明、硬度高的元件不僅會影響視野,隱眼也容易變形而損壞。

為了解決這個問題,來自南韓蔚山國家科學技術學院(UNIST)及成均館大學的研究團隊,提出了新型智慧隱眼的構想,並於今年一月發表在《Science Advances》期刊中。此隱眼(如下圖A)整合葡萄糖偵測器、LED顯示像素以及無線電力傳輸系統,利用LED視覺化即時的血糖濃度,便不需要額外的裝置了!

圖A  隱形眼鏡結構示意圖。天線:接收交流訊號;整流器:將交流訊號轉換為直流;葡萄糖偵測器:偵測淚液中葡萄糖濃度;LED顯示像素:即時顯示淚液中葡萄糖濃度。圖/ Park et al, 2018

利用混合結構與折射率的配合,避免傷害並提供更清晰的視野

針對電子元件容易損壞的問題,研究團隊改良了部分隱眼的結構:

將電子元件置於加固基板(reinforced islands),天線及電路則置於彈性層(elastic substrate)中。加固基板鑲嵌入彈性層,形成混合結構(hybrid substrate)。(如下圖B)

當隱形眼鏡形變時,彈性層會吸收受力,將電子元件保護在加固基板中,便解決了元件容易損壞的問題,也增加了隱眼的壽命及穩定性。

圖B  混合結構:隱形眼鏡被拉伸時,彈性層也隨之擴大,但加固基板仍維持原狀,保護其中的電子元件不受影響。圖/ Park et al, 2018

其中,加固基板是由光感化合物聚合(photo-patternable polymer)所形成;彈性層則選用軟式隱眼的常規材料──矽膠彈性體。研究團隊最大化彈性層的面積,以提供更高的透氧性,避免智慧隱眼對使用者的傷害。

針對視野的清晰度的改善,研究團隊從兩方面著手:

第一,利用銀奈米纖維製作天線及電路。這種材料相當透明,不會遮蔽使用者視野,同時具有出色的延展性,可以降低使用者眼睛的異物感。

第二,研究團隊使用折射率相仿的加固基板與彈性層製作隱眼,避免因折射率差異造成的光線散射,藉此降低霧度,讓視野更清晰。(如下圖C)

圖C  將折射率差異不同的混合結構置於相機前拍攝照片。左為折射率差異低的影像,視野清晰;右為折射率差異高的影像,視野模糊。(點圖放大)圖/ Park et al, 2018

隱眼中的偵測器:即時提醒血糖濃度異常

要了解葡萄糖偵測器,先來看看反應式:

Glucose + O2 → H2O2 + Gluconolactone

偵測器中的氧化酶,可以氧化淚液中的葡萄糖。產生的過氧化氫再被分解,生成的氧、質子與電子會影響偵測到的電阻,藉此監控葡萄糖濃度。為了避免偵測器因過氧化氫累積而變得不敏感,研究團隊更將過氧化氫酶置於偵測器中,即時分解過氧化氫,讓偵測器的靈敏度可以維持,不出現延遲的狀況。

因此只要眼睛正常分泌淚水,眨眼時便能將淚液收集於隱眼中,利用非侵入性的方式持續偵測淚液中的代謝物。而此團隊設計的隱眼,在正常情況下,綠色的 LED 顯示器會一直亮著;但若葡萄糖濃度超過閾值,則會關閉 LED 顯示,提醒使用者血糖濃度異常。

圖D  淚液中葡萄糖濃度高於閾值時,LED顯示像素關閉。圖/ Park et al, 2018

此外,這款隱眼可透過無線的操作穩定其溫度,不會突然加熱傷害使用者的雙眼,以確保穿戴者眼睛的安全。此團隊的研究中,也有使用活兔進行活體測試,證明其無明顯的不良影響。

儘管淚液葡萄糖濃度與血液葡萄糖濃度的關係還有待更近一步的研究,但這款智慧隱眼,仍為醫學臨床領域與物理新科技的結合譜出了新的樂章,希望能夠無線、持續、非侵入性地監測生理狀況,同時可用以偵測有關眼睛或是其他疾病的生物標誌物,也提供了應用在其他領域的可能性,像是擴增實境(AR),或是透過鏡片來投藥,避免使用者可能忘記吃藥的麻煩。

參考文獻

活躍星系核_96
752 篇文章 ・ 97 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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血汗淚的交織史—用眼淚感測血糖的智慧型隱形眼鏡
PanSci_96
・2016/03/06 ・1940字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 613 ・十年級

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文/蔣維倫

「超薄、零觸感」並且「無痛、讓你完全感受不到它的存在」。不不不,別誤會,今天的話題不是限制級,我們要聊的是每位糖尿病患者指尖上的痛——測量血糖

對於普通人來說,一口麵包可能不代表什麼,但在糖尿病患者的眼裡,麵包什麼的,可是最討厭了啊!對他們來說,每口食物都可能會讓血糖飆高,而高濃度的血糖會引發中風、失明或性功能障礙等,因此每次用餐後,都得要扎破手指測量血糖,不僅是每天必作,更是終生都得如此。

測血糖對許多患者來講是個夢魘。圖/科學大爆炸EP.27 - 便當這樣吃就不用怕胖
測血糖對許多患者來講是個夢魘。圖/科學大爆炸EP.27 – 便當這樣吃就不用怕胖

雖然早在古埃及時就發現了糖尿病,但千年來的發展,仍需要鮮血才能夠測量血糖濃度,不僅惱人而且疼痛。那如果不用血,人體上還有什麼體液可供測量呢?

感動落淚-用淚水寫下的科學發展史

古老的年代裡,電化學(electrochemistry)的科學家們就找到了方程式和糖氧化酶(glucose oxidase, GOD),能夠分析糖的含量

公式

而光是有方程式是不夠的,由於酵素容易被稀釋,迫使科學家只能用巨大的儀器取得數據。直到1995年,由東京大學(University of Tokyo)的Mitsubayashi學者等人將酵素固定化 [1],解決了酵素稀釋的關卡,使研究朝著正確的方向邁出了第一步。

而接續的難關是生理上的限制,淚水的血糖濃度遠比血液低 [2]。因此2003年南京大學(Nanjing University)的Jiuhong Yu學者利用二氧化鈦(TiO2)水膠將酵素包裹於內 [3],將反應的空間,從平面轉化為立體,大幅度地提高反應面積。且因為水膠的通透性極佳,其中的氫鍵又能固定住酵素,因此靈敏度也提升了許多。

2011年,在西雅圖的華盛頓大學(University of Washington),由Huanfen Yao學者組成的團隊,成功的直接在隱形眼鏡上繪製電極圖,他們集結了上述的研究成果,發表了以電化學原理來量測血糖濃度的隱型眼鏡 [4]。該團隊利用光阻材料(photoresist)在直徑不到1公分的鏡片上繪製金屬電極(Ti鈦/Pd鈀/Pt鉑),再將裹有酵素的水膠滴於電極板上,於是一支能感應血糖濃度發出電子訊號的隱型眼鏡就完成了。

數據的輸出-瞳孔變色片還是無線傳輸?

馬拉松最疲憊的就是最後一哩路,而量測血糖的隱形眼鏡最後一道關卡,怎麼樣才能將數據輸出呢?

時間拉回2003年,當電化學的科學家仍身陷泥沼,鑽研螢光化學的學者已經有了重大的進展了。馬里蘭大學(University of Maryland School of Medicine)的Ramachandram Badugu團隊發表的隱形眼鏡中 [5],帶有特殊的螢光物質,使隱形眼鏡能夠感應血糖,進而發出藍色的螢光(450 nm)。但也許是線性範圍不足,研究漸漸地停滯,反倒是電化學的科學家解決了傳輸的問題。

上述的華盛頓大學團隊,在2011年突破電極縮小化的關卡後,更在隔年解決了訊號輸出的問題,由Yu-Te Liao學者(廖育德,現任中正大學電機工程學系 教授)所主導設計,利用出了僅僅0.6mm × 0.6mm大小的晶片,使用無線傳輸的技術,將血糖濃度的數值傳給外界的接收器,不僅無須外接電源。組成後的成品更相當精巧,鏡片的直徑小於1公分 [6]。

以隱形眼鏡偵測健康狀態的裝置概念圖。圖/Yu-Te Liao
以隱形眼鏡偵測健康狀態的裝置概念圖。圖/Yu-Te Liao

一「眼」看穿未來的疾病

2014年1月17日,由google公布的智慧型隱形眼鏡-Google Smart Contact Lens,背後的技術就是源自於華盛頓大學的Huanfen Yao和Yu-Te Liao等人的研究。同年,瑞士藥廠Novartis(諾華),更宣布旗下的眼科品牌Alcon(愛爾康)獲得Google的授權,將以Smart Contact Lens的技術研究糖尿病、老花眼等疾病。醫療大廠諾華和Google的合作,代表著傳統醫療照護將有重大的革新,藉由微型化電子的技術,未來檢測疾病將可被一「眼」看穿,再也不用讓患者們經歷充滿血與淚的抽血打針了。

Hand holding - zoomed in
Google研發的智慧型隱形眼鏡。圖/Google官方部落格

註:各種體液內的糖濃度 [6]

種類 糖濃度範圍
血液 2-30 mM
尿液 2.78-5.5 mM
唾液 0.008-0.21 mM
汗水 0.277-1.11 mM
淚水 0.1-0.6 mM

參考文獻

  1. Mitsubayashi, K.; Dicks, J.M.; Yokoyama, K.; Takeuchi, T.; Tamiya, E.; Karube, I. (1995) A flexible biosensor for glucose. Electroanalysis 7, 83-87
  2. Prashanth Makaram, Dawn Owens and Juan Aceros (2014) Trends in Nanomaterial-Based Non-Invasive Diabetes Sensing Technologies. Diagnostics, 4, 27-46
  3. Jiuhong Yu, Songqin Liu, Huangxian Ju (2003) Glucose sensor for flow injection analysis of serum glucose based on immobilization of glucose oxidase in titania sol–gel membrane. Biosensors and Bioelectronics, 19(4), 401-409
  4. Huanfen Yao, Angela J. Shum, Melissa Cowan, Ilkka Lähdesmäki, Babak A. Parviz (2011) A contact lens with embedded sensor for monitoring tear glucose level. Biosensors and Bioelectronics 26, 3290-3296
  5. Ramachandram Badugu, Joseph R. Lakowicz, and Chris D. Geddes (2003) A Glucose Sensing Contact Lens: A Non-Invasive Technique for Continuous Physiological Glucose Monitoring. Journal of Fluorescence, 13(5), 371-374
  6. Yu-Te Liao, Member, IEEE, Huanfen Yao, Andrew Lingley, Babak Parviz (2012) A 3-μW CMOS Glucose Sensor for Wireless Contact-Lens Tear Glucose Monitoring. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 47(1), 335-344

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威

審校:陳妤寧