Измерение электроокулограмм моделируемого подводного водолаза с использованием проводимости морской воды

Почему важно следить за глазами водолазов

Погружение открывает скрытый мир, но также подвергает людей рискам, которые могут быстро стать серьёзными. Современные компьютеры для дайвинга отслеживают глубину и время, но они ничего не знают о том, что действительно переживает водолаз — бодр ли он, дезориентирован или на грани потери сознания. Поскольку моргания и движения глаз отражают внимание и умственную нагрузку, считывание сигналов глаз под водой может дать систему раннего предупреждения. В этом исследовании рассматривается неожиданно простая идея: использовать естественную проводимость морской воды для измерения крошечных потенциалов вокруг глаза, потенциально превратив обычную маску для дайвинга в интеллектуальное устройство безопасности.

Новый способ «слушать» тело под водой

На суше активность глаз обычно регистрируют либо камерами, отслеживающими зрачок, либо электродами, закреплёнными вокруг глаза для съёма электроокулограмм (ЭОГ) — небольших напряжений, создаваемых движением глаза. Камерные системы громоздки и проблематичны в герметизации, а традиционная ЭОГ требует нескольких электродов, приклеенных к коже. Ранее авторы показали, что океан может выступать гигантским электрическим контактом: если один электрод касается моря, а другой изолирован на теле, можно измерять сигналы сердца и мышц, не проводя провода по обеим сторонам цепи. В этой работе они исследуют, позволит ли тот же метод с использованием морской воды захватить сигналы ЭОГ у водолазов, давая информацию о морганиях и направлении взгляда.

Преобразование маски для дайвинга в датчик

Чтобы проверить эту идею в лаборатории, восемь здоровых мужчин надели стандартную маску для дайвинга, адаптированную простыми медицинскими электродами. Два «целевых» электрода были приклеены к коже рядом с правым глазом внутри наполненного воздухом пространства маски — один над глазом и один справа. Третий «общий» электрод был закреплён снаружи рамки маски, непосредственно контактируя с солёной водой в небольшом резервуаре. Когда доброволец находился в положении «на четвереньках» с погружённым лицом, кожа вокруг маски соприкасалась с водой, фактически превращая лицо водолаза в большую общую «электроду», связанную через морскую воду. Исследователи усиливали крошечные напряжения между каждым целевым электродом и общим электродом, в то время как испытуемый моргал или переводил взгляд вверх, вниз, влево и вправо в такт метронома и визуальных маркеров.

Чтение морганий и направления взгляда по крошечным сигналам

Записи показали чёткие, повторяющиеся шаблоны. Во время обычного моргания напряжение на верхнем электроде давало резкие пики размером в несколько сотен миллионных долей вольта, значительно больше, чем на правом боковом электроде. Это указывало на то, что моргания легче всего обнаруживать по сигналу над глазом. Когда добровольцы поочерёдно переводили взгляд между маркерами выше и ниже центральной точки, сигнал верхнего электрода колебался между положительными и отрицательными уровнями; взгляд вверх и вниз давал различающиеся средние напряжения. Для горизонтальных перемещений взгляда правый боковой электрод реагировал сильнее, с большими изменениями напряжения при горизонтальных движениях глаза. Комбинируя сигналы обоих электродов, команда смогла разбить «вверх», «вниз», «влево» и «вправо» на отдельные кластеры, что свидетельствует о том, что направление и приблизительный угол взгляда можно определить с помощью этой простой подводной схемы.

Проверка физики вокруг маски

Чтобы понять, почему это работает, исследователи построили простую электрическую модель глаза и окружающей ткани. Передняя часть глаза (роговица) ведёт себя как слегка положительный полюс, а задняя (сетчатка) — как отрицательный, примерно как маленькая батарея. По мере вращения глаза относительные расстояния между этой внутренней «батареей» и каждым кожным электродом меняются, изменяя пути сопротивления и измеряемые напряжения. В своей модели они представили эти пути в виде резисторов и математически показали, что перевод взгляда с вниз на вверх должен вызывать измеримое изменение напряжения на одном боковом электроде относительно общего электрода, связанного с морской водой. Затем они проверили модель на суше, используя три кожных электрода возле глаза, и наблюдали изменения напряжения и взаимосвязи, соответствующие их предсказаниям, что поддерживает физическое объяснение.

Что это может означать для более безопасного дайвинга

Исследование демонстрирует, что моргания и движения глаз водолаза можно обнаруживать под водой, используя саму морскую воду как часть измерительной цепи. При наличии лишь двух небольших электродов внутри маски и одного снаружи, контактирующего с водой, можно отслеживать, когда водолаз моргает и куда он смотрит. Для неспециалиста это означает, что будущие маски для дайвинга могут незаметно отслеживать как жизненные показатели, так и признаки усталости, рассеянности или стресса без громоздких камер или сложной проводки. Авторы планируют уточнить свои модели, улучшить методы обработки сигналов и испытать новые конструкции масок в открытом океане. В конечном счёте такая технология может помочь предотвратить несчастные случаи, предупреждая напарников по погружению или команды на поверхности, когда тело водолаза — и особенно его мозг — больше не справляется с условиями под водой.

Цитирование: Saiki, T., Araki, N., Nakatani, S. et al. Measuring electrooculograms of a simulated underwater diver by utilizing conductivity of seawater. Sci Rep 16, 5706 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35528-z

Ключевые слова: подводное отслеживание глаз, безопасность водолазов, электроокулография, проводимость морской воды, биоэлектрические датчики