利用海水导电性测量模拟水下潜水员的眼电图

为何观察潜水员的眼睛很重要

潜水打开了一个隐秘的世界，但也让人暴露在可能迅速恶化的风险中。如今的潜水电脑能记录深度和时间，却无法知道潜水员真实的状态——他们是清醒、迷惑，还是处于失去意识的边缘。因为眨眼和眼动反映注意力与心理负担，能够在水下读取眼部信号可能提供早期警告系统。这项研究探索了一个出人意料的简单想法：利用海水本身的导电性来测量眼周微小电压，或许能把普通潜水面罩变成一款智能安全设备。

在水下倾听身体的新方法

在陆地上，眼部活动通常用追踪瞳孔的摄像机或贴在眼周的电极来记录眼电图（EOG）——即眼球运动产生的小电压。相机系统体积大且难以防水，而传统的EOG需要几个固定在皮肤上的电极。作者此前已证明，海洋可以作为一个巨大的电接触面：如果一个电极接触海水，而另一个电极与身体隔离，就可以在不对电路两端布线的情况下测量心脏和肌肉信号。在本研究中，他们探讨同样基于海水的方法是否能在潜水员身上捕捉到EOG信号，从而获得关于眨眼和视线方向的信息。

把潜水面罩变成传感器

为在实验室中验证该想法，八名健康男性佩戴了经改装的标准潜水面罩，配有简单的医用电极。两个“目标”电极贴在面罩空气腔内靠近右眼的皮肤上——一个在眼睛上方，另一个在右侧。第三个“公共”电极固定在面罩框架外侧，直接接触小水槽中的盐水。志愿者四肢着地将脸浸入水中时，面罩周围的皮肤与水接触，有效地将潜水员的面部变成通过海水相连的大型共享电极。研究人员放大了每个目标电极与公共电极之间的微小电压，同时让受试者按节拍和视觉标记眨眼或将视线上下左右移动。

从微弱信号中读取眨眼和视线方向

记录显示出清晰且可重复的模式。在正常眨眼过程中，上方电极产生了尖锐的电压峰值，幅度为数百微伏的数量级，远大于右侧电极的信号。这表明通过监测眼上方的信号最容易检测到眨眼。当受试者在中心点上方和下方的标记间交替注视时，上方电极的信号在正负电平间摆动；向上和向下的注视产生了不同的平均电压。对于左右注视，右侧电极的响应更强，眼水平移动时产生更大的电压波动。通过组合两个电极的信号，研究团队能够将“上”“下”“左”“右”的注视分成不同簇，表明用这种简单的水下装置可以推断视线方向和大致角度。

检验面罩背后的物理机制

为理解其工作原理，研究人员建立了眼球及其周围组织的基本电学模型。眼球前部（角膜）表现为轻微的正极，后部（视网膜）表现为负极，类似一个微小电池。随着眼球旋转，内部“电池”与各皮肤电极之间的相对距离发生变化，改变了电阻路径和测得的电压。在模型中，他们将这些路径表示为电阻，并在数学上展示了将视线从下移到上应在参考海水连接的公共电极的单侧电极上产生可测电压变化。他们随后在陆地上使用位于眼周的三个皮肤电极验证了该模型，并观察到与预测相符的电压变化和关系，从而支持了这一物理解释。

这对更安全潜水的意义

这项研究证明，可以利用海水本身作为测量电路的一部分，在水下检测潜水员的眨眼和眼动。仅用面罩内两个小电极和一个与海水接触的外侧电极，就能跟踪潜水员何时眨眼以及他们的注视方向。对非专业人士来说，这意味着未来的潜水面罩可能在无需笨重摄像头或复杂布线的情况下，悄然监测生命体征以及疲劳、分心或压力的信号。作者计划完善模型、改进信号处理方法并在公海测试新型面罩设计。最终，这类技术可能通过在潜水员的身体——尤其是大脑——无法良好应对水下环境时向潜伴或水面团队发出警报，从而帮助预防事故。

引用: 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

关键词: 水下眼动追踪, 潜水员安全, 眼电图, 海水电导率, 生物电传感器