李晨熙 孟慶春 鄂宜陽 鄭憲

摘要：腦機(jī)信息交互技術(shù)是建立在腦機(jī)接口技術(shù)（ brain—computer interface， BCI）上的新型技術(shù)。對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)行了定義并簡要闡述了其工作原理，從實(shí)際應(yīng)用的角度解釋了BCI技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢，最后列出了BCI技術(shù)存在的弊端和發(fā)展所需面對(duì)的難題。

關(guān)鍵詞：腦機(jī)接口技術(shù);人機(jī)交互;人工智能;虛擬現(xiàn)實(shí);信息反饋

中圖分類號(hào)：TP18? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2019）03-0184-02

Abstract： Brain-computer information interaction technology is a new technology based on brain-computer interface （BCI）. The brain-computer interface technology is defined and its working principle is briefly explained. The development status of BCI technology and its future development trend are explained from the perspective of practical application. Finally， the disadvantages and the development problems of BCI technology are listed.

Key words： brain machine interface technology; human interaction; artificial intelligence; Virtual Reality; information feedback

腦機(jī)信息交互是指大腦與計(jì)算機(jī)之間通過非常規(guī)信息交互通路進(jìn)行信息交換的技術(shù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通訊、電子電路、生物科學(xué)、醫(yī)學(xué)等科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們對(duì)腦科學(xué)的探知，上世紀(jì)末興起了一門新的技術(shù)——腦機(jī)接口技術(shù)，簡稱BCI。

1腦機(jī)接口技術(shù)定義及工作原理

1.1定義

BCI技術(shù)是指大腦不依靠感官神經(jīng)細(xì)胞而直接與計(jì)算機(jī)等外界事物進(jìn)行信息交互的技術(shù)。

1.2工作原理

BCI技術(shù)是先對(duì)大腦皮層的腦電信號(hào)進(jìn)行收集，然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行過濾和加工，通過信號(hào)控制及信息反饋機(jī)制來完成腦機(jī)信息交互的。[1]通過侵入式與非侵入式的方法，采集大腦的腦電信號(hào)，然后篩選出特定的腦電波進(jìn)行放大和濾波處理，加工處理后的腦電信號(hào)由設(shè)備轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，最后給予大腦反饋信息。

1.3可行性

大腦是通過神經(jīng)細(xì)胞間突觸的傳遞來接收視覺和聽覺等感官信息的，突觸的信息傳遞由眼細(xì)胞等感官細(xì)胞受外界信息刺激而產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作電位，由此，計(jì)算機(jī)可以記錄并模擬外界信息產(chǎn)生的特定電磁波從而傳遞信息來刺激神經(jīng)細(xì)胞接受電信號(hào)。

2腦機(jī)接口技術(shù)分類及應(yīng)用

2.1分類

2.1.1視覺誘發(fā)電位（visual evoked potential，VEP）

視覺誘發(fā)電位是由視神經(jīng)細(xì)胞接受視覺信息而產(chǎn)生的誘發(fā)電位，它分為瞬態(tài)視覺誘發(fā)電位（transient visual evoked potential，TVEP）和穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（steady-state visual evoked potential，SSVEP）。目前我國已經(jīng)開發(fā)設(shè)計(jì)出了基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位的腦機(jī)接口系統(tǒng)以及電話撥號(hào)系統(tǒng)。[2]

2.1.2慢皮層電位（slow cortical potential，SCP）

慢皮層電位是大腦皮層電信號(hào)中頻率最低的電位，具有較大的正負(fù)電位差，與大腦皮層興奮度相關(guān)，當(dāng)大腦皮層處于興奮狀態(tài)時(shí)，呈現(xiàn)出負(fù)電位;當(dāng)大腦皮層靜息時(shí)，SCP由負(fù)電位向正電位躍遷。因此可用作腦機(jī)接口控制信號(hào)。

2.1.3事件發(fā)生相關(guān)電位P300

當(dāng)某事件發(fā)生時(shí)，事件相關(guān)電位P300將在該事件發(fā)生后的300ms左右，處于正向波峰，由此來反映該事件的發(fā)生頻度。早在1988年，研究者就根據(jù)P300電位發(fā)明了虛擬打字機(jī)，經(jīng)過不斷改進(jìn)，字符準(zhǔn)確率達(dá)到了80%以上。

2.1.4 α波、μ節(jié)律和β波

與眼睛閉合相關(guān)的α波是一種自發(fā)的腦電信號(hào)，當(dāng)人們閉眼時(shí)，大腦的α波信號(hào)增強(qiáng);睜眼后，α波信號(hào)減弱甚至消失，因此可以用作BCI的控制信號(hào)。

和運(yùn)動(dòng)想象相關(guān)的μ節(jié)律和β波也可用作腦機(jī)接口控制信號(hào)，當(dāng)人們進(jìn)行運(yùn)動(dòng)想象時(shí)，μ節(jié)律的信號(hào)增強(qiáng);而當(dāng)人們進(jìn)行思考時(shí)，β波的信號(hào)顯著增強(qiáng)，β波也可以用來反映大腦活躍程度。[3]

2.2應(yīng)用

2.2.1新一代人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面從誕生到現(xiàn)在，一共經(jīng)歷了三個(gè)階段：首先是命令行界面（Command-Line Interface，CLI），然后是目前被廣泛使用的圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI），例如微軟操作系統(tǒng)的電腦桌面就是圖形用戶界面，最后發(fā)展成了新一代的自然用戶界面（Natural User Interface，NUI）。[4]基于BCI技術(shù)的人機(jī)交互界面操作效率更高，利用范圍更廣。BCI技術(shù)的發(fā)展可以使人們可以通過簡單的手勢就能操作NUI界面，而NUI界面的普及也將推動(dòng)教育的普及，由于具有無紙化的性質(zhì)，信息傳遞將更加方便快捷，使教學(xué)質(zhì)量有質(zhì)的飛躍。

2.2.2基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的腦機(jī)接口

與傳統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不同，BCI技術(shù)顛覆性地改變了與虛擬環(huán)境（virtual environments，VE） 的交互方式。對(duì)視覺障礙或聽覺障礙的人來說，VE將使用者周圍的聲音和景象轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過BCI技術(shù)傳遞到使用者腦中，使其能夠“聽見”或“看見”。[5]人工耳蝸是迄今為止最成功、臨床應(yīng)用最普及的腦機(jī)接口。人工耳蝸是一種電子設(shè)備，由處理器將聲波轉(zhuǎn)換為經(jīng)過特殊編碼形式的電信號(hào)，通過植入在大腦皮層上的電極直接刺激與聽力相關(guān)的神經(jīng)細(xì)胞讓聽覺障礙者恢復(fù)或者重新建立新的聽覺系統(tǒng)。

而由于傳遞視覺信息的視網(wǎng)膜和相關(guān)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)相對(duì)更加復(fù)雜，使得視覺修復(fù)技術(shù)仍然處于研究階段。

2.2.3智能機(jī)器人遠(yuǎn)端控制

隨著智能機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，人們可以通過BCI技術(shù)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人用于實(shí)際生活，甚至是軍事戰(zhàn)爭。人們可以通過對(duì)機(jī)器人的思維操控，完成一些高危工作，例如高空作業(yè)、深海探究、戰(zhàn)爭機(jī)器乃至地外探索等，在高效完成任務(wù)的同時(shí) 為人們提供了安全保障。

2.2.4基于腦機(jī)接口技術(shù)的人工智能算法

人工智能必是未來科技的主力軍，人工智能可用于醫(yī)療、軍事、科技、生活等諸多領(lǐng)域，基于BCI技術(shù)的人工智能算法的完善，將為人們提供更為智能的人機(jī)交互方式。人工智能技術(shù)可以應(yīng)用于生活中的方方面面，智能家電、汽車的無人駕駛技術(shù)等，都將為人們的生活和出行帶來便利。

2.2.5無聲通信

通過BCI技術(shù)可以將人類語言進(jìn)行數(shù)字編碼，形成語言數(shù)據(jù)庫，將人們所想的話語轉(zhuǎn)換為文字信息，顯示在用戶界面當(dāng)中，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)進(jìn)行信息交流，甚至可以直接編碼為聲波信號(hào)與他人進(jìn)行信息傳遞。

3腦機(jī)接口技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

BCI技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代，近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物科學(xué)、電子信息、信息通訊、神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展，人們對(duì)BCI技術(shù)的研究也取得了突破性的進(jìn)展。人們已經(jīng)可以利用BCI技術(shù)在電腦桌面上移動(dòng)光標(biāo)，甚至可以輸入字符。在軍事訓(xùn)練方面也得到了應(yīng)用，飛行員可以通過BCI模擬器對(duì)飛行模擬器進(jìn)行控制。[6]一些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以通過BCI技術(shù)從猴和鼠的大腦皮層上記錄腦電信號(hào)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)讓猴想象給定的任務(wù)動(dòng)作而不進(jìn)行任何實(shí)際運(yùn)動(dòng)便可以操控屏幕上的移動(dòng)光標(biāo)，而且還可以控制機(jī)械手臂來完成一些簡單的任務(wù)動(dòng)作。另外在貓身上進(jìn)行的研究對(duì)視覺信號(hào)也完成了一定的解析。

迄今為止，人類已經(jīng)可以修復(fù)一些聽覺、視覺等感覺功能。但目前的BCI技術(shù)還有待深入研究，BCI也將朝著更貼近于人們生活的方向發(fā)展，未來BCI技術(shù)甚至可以移植于移動(dòng)終端，取代智能手機(jī)，成為新一代的移動(dòng)終端，更加方便使用者去使用。

4腦機(jī)接口技術(shù)未來發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展至今還未成熟，尚處于實(shí)驗(yàn)探索的初級(jí)階段。目前，雖然經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)及研究已經(jīng)證明了BCI技術(shù)的可行性，但同時(shí)也體現(xiàn)了BCI技術(shù)的不穩(wěn)定性以及不可靠性。BCI技術(shù)最明顯的缺點(diǎn)就是信息傳遞速率非常低，難以滿足人們使用該技術(shù)的日常需求，大腦與計(jì)算機(jī)的直接信息交互也無法保障傳遞信息的安全性、完整性與穩(wěn)定性，而長期與電子設(shè)備之間的接觸也難免不會(huì)對(duì)大腦造成輻射危害。

因此，提高信息的傳遞速率，建立穩(wěn)定信息傳遞通道，減小設(shè)備的電磁輻射是推廣BCI技術(shù)的關(guān)鍵難題。

5結(jié)束語

腦機(jī)信息交互技術(shù)擁有著無限的可能性，隨著BCI技術(shù)的不斷發(fā)展，人們的生活將會(huì)變得更加便利，雖然該領(lǐng)域還屬于研究摸索的階段，但是從目前的實(shí)驗(yàn)成果來看，腦機(jī)信息交互技術(shù)將會(huì)快速發(fā)展并且不斷地走向成熟。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 高諾.腦機(jī)接口技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2008（4）：16-19.

[3] 劉鐵軍.基于運(yùn)動(dòng)想象的腦機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2014，33（6）：644-651.

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[5] 周忠.虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)綜述[J].中國科學(xué)：信息科學(xué)，2015，45（2）：157-180.

[6] 孔麗文.基于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的腦機(jī)接口技術(shù)研究進(jìn)展[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2015，29（3）：317-327.

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