腦機(jī)接口，不只是“意念打字”
2021-03-02 15:50:17宋瑞張建新
瞭望東方周刊 2021年4期
宋瑞 張建新
在2009年的熱播電影里，前海軍戰(zhàn)士能用“意念控制”阿凡達(dá);近日，四肢癱瘓了30年的羅伯特在約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院向全世界展示了“意念控制”機(jī)械臂給自己喂食蛋糕。
如果可以實(shí)現(xiàn)“意念控制”，你最想用來(lái)做什么？
“人腦控制”“人機(jī)互聯(lián)”等出現(xiàn)在科幻大片中的場(chǎng)景正在成為現(xiàn)實(shí)，而這背后的科技便是“腦機(jī)接口”。
受試者只需佩戴可測(cè)量腦電波的腦電極帽，并想象移動(dòng)手臂，就可以讓與電腦系統(tǒng)相連的機(jī)器臂隨意念而動(dòng)，在紙張上一筆一畫(huà)地寫(xiě)出“?！弊?。
腦機(jī)接口技術(shù)（BCI），被譽(yù)為人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是在人腦和計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備之間，建立不依賴(lài)于常規(guī)大腦信息輸出通路的全新技術(shù)。
“我們?cè)诖竽X里的想法，通常是通過(guò)神經(jīng)外周組織或者肌肉組織表達(dá)出來(lái)，而腦機(jī)接口技術(shù)則是繞過(guò)這樣的正常通路，在大腦和計(jì)算機(jī)之間直接建立聯(lián)系?！碧旖蚰X科學(xué)中心主任助理、天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院副教授許敏鵬接受《瞭望東方周刊》采訪時(shí)說(shuō)。
研制出“神工”系列人工神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng);與中國(guó)航天員訓(xùn)練中心合作開(kāi)展國(guó)際首次在軌腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn);開(kāi)發(fā)出基于極微弱事件相關(guān)電位的新型腦機(jī)接口系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)迄今為止最微弱的腦電控制信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別與高效應(yīng)用……自2014年以來(lái)，許敏鵬所在的天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)不斷探尋著人機(jī)交互的“無(wú)限可能”。
從“意念打字”到“腦控?zé)o人機(jī)”
在天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室，一名男生佩戴著布滿靈敏電極的腦電極帽，緊盯電腦屏幕，無(wú)需雙手操作，正通過(guò)“意念”控制著無(wú)人機(jī)穿越兩處環(huán)形指定區(qū)域，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)人機(jī)連續(xù)、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定的控制。
這套腦控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)是天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)于2020年1月研發(fā)出來(lái)的，包括空間六向、起飛、降落、順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)、懸停和狀態(tài)保持等12個(gè)系統(tǒng)指令，首次實(shí)現(xiàn)了利用腦機(jī)接口對(duì)無(wú)人機(jī)的前后、左右、上下，以及順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)等4個(gè)自由度的連續(xù)控制。
“腦控?zé)o人機(jī)系統(tǒng)在人機(jī)交互領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，例如可與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，擺脫目前BCI系統(tǒng)對(duì)屏幕的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)基于周?chē)h(huán)境的沉浸式操作，用于遠(yuǎn)程的目標(biāo)搜索、環(huán)境巡查、異常監(jiān)控等場(chǎng)景?！痹S敏鵬介紹。
在此之前，該團(tuán)隊(duì)就曾解決腦機(jī)接口指令數(shù)量與編解碼速度之間相互制約的難題，突破腦機(jī)百指令編解碼大關(guān)，實(shí)現(xiàn)了108個(gè)指令的“意念寫(xiě)字”和“意念打字”。
2019年1月，天津大學(xué)的畢業(yè)生收到一份特殊的禮物——一份通過(guò)“意念”書(shū)寫(xiě)的“?！弊?，這便是由許敏鵬所在團(tuán)隊(duì)完成并實(shí)現(xiàn)的。受試者只需佩戴可測(cè)量腦電波的腦電極帽，并想象移動(dòng)手臂，就可以讓與電腦系統(tǒng)相連的機(jī)器臂隨意念而動(dòng)，在紙張上一筆一畫(huà)地寫(xiě)出“福”字。
此外，該團(tuán)隊(duì)利用腦機(jī)接口技術(shù)幫助人們?cè)竭^(guò)鍵盤(pán)打字環(huán)節(jié)，用“意念”解碼輸出漢字、字符。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的受試者可做到通過(guò)布滿字符的虛擬鍵盤(pán)，在無(wú)需雙手操作的情況下，實(shí)現(xiàn)超過(guò)普通人用觸屏手機(jī)打字的速度。
許敏鵬向本刊記者介紹，實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口的路徑主要分為“非侵入式”和“侵入式”。天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)的研究對(duì)象主要為前者，即通過(guò)可穿戴的腦電波檢測(cè)設(shè)備獲取腦電信號(hào)，此采集方式對(duì)人體無(wú)傷害，但由于頭骨的屏障作用，采集到的腦信號(hào)相對(duì)較弱且不穩(wěn)定。
而“侵入式”腦機(jī)接口技術(shù)則是通過(guò)將電極植入到大腦內(nèi)部，直接提取神經(jīng)信號(hào)，因此具有較高的信號(hào)質(zhì)量，但存在生物相容性等問(wèn)題，且電極周?chē)h(huán)境的變化對(duì)信號(hào)質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重影響，不利于長(zhǎng)時(shí)間采集。目前，國(guó)外有關(guān)研究人員采用此技術(shù)將電極植入患者大腦，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂等設(shè)備的簡(jiǎn)單操控，并完成了簡(jiǎn)單喝水或抓握等動(dòng)作。
專(zhuān)注于研究“侵入式”腦機(jī)接口技術(shù)的代表性企業(yè)是美國(guó)硅谷企業(yè)家埃隆·馬斯克所創(chuàng)立的腦機(jī)交互技術(shù)公司“神經(jīng)連接”（Neuralink）。
2020年8月28日，馬斯克在線直播展示了大腦被植入腦機(jī)接口設(shè)備的小豬，其腦部活動(dòng)信號(hào)可以被實(shí)時(shí)讀取。當(dāng)工作人員給小豬喂養(yǎng)食物并進(jìn)行觸碰時(shí)，所采集的小豬大腦信號(hào)顯示其處于活躍狀態(tài)，而通過(guò)進(jìn)一步分析其腦電信號(hào)，可以預(yù)測(cè)小豬的運(yùn)動(dòng)步伐和模式。
這枚植入小豬大腦名為“Link”的設(shè)備約為硬幣大小，可通過(guò)藍(lán)牙連接智能手機(jī)，電池續(xù)航時(shí)間為一整天。實(shí)驗(yàn)的成功意味著向利用植入設(shè)備來(lái)治療頸脊髓損傷等嚴(yán)重神經(jīng)疾病又邁進(jìn)了一步。
助腦卒中患者康復(fù)
腦卒中患者徐寶釧已經(jīng)可以在遼寧大連的家中自行扶著把手上下樓，這讓他對(duì)康復(fù)更有信心?！?019年，我因患腦出血導(dǎo)致身體左側(cè)偏癱，手腕、腳踝關(guān)節(jié)都無(wú)法正?；顒?dòng)?！毙鞂氣A說(shuō)。經(jīng)歷一系列理療、針灸、按摩等傳統(tǒng)肢體康復(fù)訓(xùn)練后，一直效果不理想。
2020年5月，他來(lái)到天津大學(xué)天津醫(yī)院康復(fù)科，接受基于腦機(jī)接口技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練。
在醫(yī)生的幫助下佩戴好腦電極帽，在手臂處、小腿處貼上電極，徐寶釧根據(jù)電腦提示，想象腕關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)需要做的動(dòng)作。腦電極帽接收到腦電波后，手臂電極處產(chǎn)生相應(yīng)電流，激發(fā)腕關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)，進(jìn)行功能康復(fù)訓(xùn)練。經(jīng)過(guò)十余次治療，他在摘除腦電極帽后已經(jīng)能自行進(jìn)行腕關(guān)節(jié)背伸、踝關(guān)節(jié)背屈等運(yùn)動(dòng)。
該醫(yī)院康復(fù)科副主任醫(yī)師李奇說(shuō)，2019年7月，天津醫(yī)院將 “神工二號(hào)” 人工神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于神經(jīng)康復(fù)治療的臨床實(shí)驗(yàn)中。該系統(tǒng)在患者體外，仿生構(gòu)筑了一條人工神經(jīng)通路，經(jīng)過(guò)模擬解碼患者的運(yùn)動(dòng)康復(fù)意念信息，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)多級(jí)神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)動(dòng)作。
一年多來(lái)，醫(yī)院接收了40余例腦卒中、周?chē)窠?jīng)損傷患者，治療效果都有明顯提升。
“患者在運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的同時(shí)，該系統(tǒng)能促進(jìn)患者受損腦區(qū)功能恢復(fù)、修復(fù)，并具有重建體內(nèi)神經(jīng)通路的可塑性?！?李奇補(bǔ)充道。
徐寶釧說(shuō)：“現(xiàn)在我上下肢都有感覺(jué)了，心態(tài)上更有自信了。我期盼著這項(xiàng)技術(shù)能夠盡快在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域正式使用，為更多腦卒中患者帶來(lái)希望?！?/p>
如今，“神工”系列人工神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)在天津多家三甲醫(yī)院開(kāi)展腦機(jī)接口技術(shù)康復(fù)訓(xùn)練臨床試驗(yàn)，很多患者的狀況都有明顯改善。
天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)成員劉源對(duì)《瞭望東方周刊》記者表示，團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)“神工三號(hào)”人工神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人，在技術(shù)和適用性等方面進(jìn)一步革新。
“試想，未來(lái)宇航員在頭部佩戴上微型腦機(jī)接口裝置后，僅需在空間站‘意念一動(dòng)，機(jī)器人便會(huì)根據(jù)指令要求進(jìn)行空間探測(cè)、技術(shù)維護(hù)等太空操作，這將多么美好?！?/blockquote>
據(jù)介紹，新裝配的腦控機(jī)械外骨骼模塊與功能性電刺激模塊形成良好的互補(bǔ)作用，為腦卒中患者的腦-機(jī)-體主動(dòng)交互康復(fù)訓(xùn)練提供穩(wěn)定的外部支撐力，能確?？祻?fù)過(guò)程尤其是下肢康復(fù)的安全性與可靠性。
“我們目標(biāo)是將‘神工設(shè)計(jì)成體積更小的可穿戴便攜設(shè)備，不僅輔助病人完成更多復(fù)雜而精細(xì)的肢體動(dòng)作，還可以實(shí)時(shí)讀取大腦激活狀態(tài)，從而及時(shí)調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練模式。”劉源說(shuō)。
人類(lèi)首次太空腦機(jī)交互
腦機(jī)接口技術(shù)既能“腳踏實(shí)地”，幫助患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練;也能“仰望星空”，為人類(lèi)“解鎖深空”帶來(lái)更多可能。
2016年，在我國(guó)天宮二號(hào)與神舟十一號(hào)載人飛行任務(wù)中，天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)航天員中心成功開(kāi)展了人類(lèi)歷史上首次太空腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)。
“兩名航天員在太空中先后進(jìn)行了P300、穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位、運(yùn)動(dòng)想象三類(lèi)經(jīng)典范式的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)高度個(gè)人定制化的模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航天員意念的實(shí)時(shí)識(shí)別。” 許敏鵬告訴本刊記者，在太空環(huán)境中，航天員完成看似簡(jiǎn)單的任務(wù)都會(huì)受到極大限制，腦機(jī)交互讓航天員多了一只手，能減輕其作業(yè)負(fù)荷。
該團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量地基實(shí)驗(yàn)深入揭示了失重、噪聲、情緒等對(duì)腦電的影響，實(shí)現(xiàn)了高識(shí)別度、高穩(wěn)定性、適于空間環(huán)境的腦機(jī)接口自適應(yīng)分類(lèi)技術(shù)。
此外，他們還建立了針對(duì)航天特征的實(shí)驗(yàn)策略和訓(xùn)練方法，大幅提高了系統(tǒng)識(shí)別正確率，為有效開(kāi)展外太空和地球之間的差異對(duì)比建立穩(wěn)定基線。這將對(duì)我國(guó)后續(xù)深入開(kāi)展人-智能機(jī)器人聯(lián)合深空探測(cè)起到重要推動(dòng)作用。
由于上天設(shè)備要求重量小、性能高、更集約，2019年，該團(tuán)隊(duì)與中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)合作研發(fā)了一款高集成腦機(jī)交互芯片“腦語(yǔ)者”，值得注意的是，這是擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)芯片。
“這款芯片能快速識(shí)別出頭皮腦電中極微弱的神經(jīng)信息，高效計(jì)算解碼用戶操作指令。這將大幅提升大腦與機(jī)器之間的通訊效率。”許敏鵬向本刊記者介紹。
“腦語(yǔ)者”的研制成功，給人類(lèi)探索太空帶來(lái)了更多可能。目前，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)正在研發(fā)更低功耗、更高集成度的“腦語(yǔ)者2.0”芯片，該芯片有望為腦機(jī)交互技術(shù)走向民用化、便攜化、可穿戴化及簡(jiǎn)單易用化開(kāi)辟道路。
“試想，未來(lái)宇航員在頭部佩戴上微型腦機(jī)接口裝置后，僅需在空間站‘意念一動(dòng)，機(jī)器人便會(huì)根據(jù)指令要求進(jìn)行空間探測(cè)、技術(shù)維護(hù)等太空操作，這將多么美好。” 許敏鵬笑著表示，未來(lái)，腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)更加豐富，逐步“飛入尋常百姓家”，與人類(lèi)生活密不可分。
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