發(fā)布時間: 2025年01月01日 10:44
在日常生活中，我們通過動作、語言相互交流。那么有沒有一種可能，我們交流的方式不再僅限于這些語言動作，而是通過腦電波就可以進行交互？
當然可能！
這種技術就是腦機接口技術。顧名思義，腦機接口技術是一種在大腦和計算機之間建立直接聯(lián)系的技術，而不需要外周神經(jīng)肌肉組織參與。這項技術可以實時記錄大腦的活動情況，將其中攜帶的信息“解讀”出來，變成計算機和其他設備也能明白的指令，進而完成操作，達成目標，實現(xiàn)“心想事成”。
著名物理學家霍金生前是一位“漸凍癥”患者，數(shù)十年來他只能靠手指和眼角肌肉的微弱動作來表達意愿。如今，隨著腦機接口技術的發(fā)展，計算機對大腦的解讀日益迅速和精準，類似霍金這樣的“漸凍癥”患者將大幅提升生活質(zhì)量。同時對于普通人，未來“意念控制”實現(xiàn)“心想事成”，也將使我們的工作生活發(fā)生巨大變化。清華大學醫(yī)學院神經(jīng)工程實驗室教授高上凱和高小榕帶領團隊已經(jīng)做了20年的腦機接口研究。記者日前探訪該實驗室，揭秘腦機互聯(lián)如何“心想事成”。
日前記者來到清華大學醫(yī)學院。在神經(jīng)工程實驗室，高小榕教授正在指導學生開展科研。只見一名學生戴上了一頂奇特的帽子，上面密密麻麻地分布著各種傳感器。他目不轉(zhuǎn)睛地看著眼前的電腦屏幕，上面一張張字母卡片在不斷閃爍……
清華大學醫(yī)學院神經(jīng)工程實驗室，研究人員正在開展腦機互動的研究實驗。
高小榕介紹，我們的大腦時時刻刻都在活動。在這個過程中，伴隨大腦神經(jīng)活動的腦電波信號在不斷產(chǎn)生。如何獲取這些腦電信號，與計算機系統(tǒng)相連接，讀取信息，目前主要有兩種方式。一種是侵入式腦機接口，即通過開顱手術直接在大腦皮層植入電極來記錄腦活動。侵入式腦機接口由于可以直接監(jiān)測到大腦皮層的活動，因而采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可以實現(xiàn)比較復雜的信息讀取。但因為安全性和手術創(chuàng)傷等問題，目前還處于實驗室探索階段。
另一種就是現(xiàn)場學生們正在開展的非侵入式腦機接口。它只需要像戴帽子一樣佩戴上腦電采集帽就可以實現(xiàn)?！斑@種方式的弱點也顯而易見。畢竟我們讀取的腦電是透過厚厚的顱骨傳遞出來的，信號質(zhì)量要差一些，因此準確解讀這些腦電信號的算法就變得尤為重要?！备咝￠耪f，非侵入式腦機接口也是國內(nèi)學者普遍開展的研究方向。
1999年高小榕就開始做腦機接口的研究，到今年已經(jīng)整整20年了。他帶領團隊首先提出了穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位腦機接口，大大提升“意念控制”的準確率，成為無創(chuàng)腦-機接口三種主要范式之一。
如何理解這種大腦與計算機互通的原理呢？高小榕說，大腦神經(jīng)電信號存在跟隨效應，如果以一定規(guī)律對人施加外部刺激，例如讓人看一個每秒閃爍15次的小方塊，就會發(fā)現(xiàn)從頭皮上記錄到的腦信號也具有對應的規(guī)律，每秒起伏15次，所以，如果給人呈現(xiàn)以不同規(guī)律閃爍的小方塊，并給它們預先設計好不同的含義，那通過分析腦信號的規(guī)律，不就可以知道人在看哪個方塊，想要輸入哪種指令了么。
今天夏天在北京舉行的世界機器人大會上，有一場特殊的“角逐”備受關注。選手們帶上特殊的“頭盔”，緊盯電腦屏幕，一言不發(fā)?！邦^盔”上交織著線纜，屏幕上出現(xiàn)一幅幅字母圖案。只見，一個個字母在屏幕的文本框內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)。這是本次世界機器人大會腦控打字記錄挑戰(zhàn)賽上的一幕。
今天夏天在北京舉行的世界機器人大會上舉行腦控打字技能挑戰(zhàn)賽。選手們通過腦機交互，用“意念打字”展開比拼。
選手們正是采用了非侵入方式實現(xiàn)腦機互聯(lián)，用大腦控制電腦，用“意念打字”展開比拼。最終來自天津大學的魏斯文，在澳門大學與香港大學聯(lián)合團隊開發(fā)的算法支持下，以每分鐘691.55比特的理想信息傳輸率獲得冠軍，這也創(chuàng)造了一項世界紀錄。作為大賽的專家組副組長，高小榕告訴記者，魏斯文當時的成績相當于在100%準確率下以0.413秒輸出一個英文字母。這個速度已經(jīng)高度接近我們?nèi)粘Ｊ褂檬謾C進行文本輸入，“已經(jīng)非常了不起！”他說。
利用腦機接口進行信息交互，在康復領域也大有可為。今年，高小榕團隊的研究成果讓一位“漸凍癥”重新“開口”與家人交流的故事，登上了熒屏。平面設計師王甲是一名“漸凍癥”患者，過去的他熱愛運動，英俊陽光。但隨著病魔侵襲，王甲失去了生活自理能力，無法站立，無法移動手腳，甚至無法說話，只有眼球移動?！捌鋵嵥苈牐芩伎?，但就是無法表達，很痛苦?！备咝￠耪f，他們跟王甲家人多次溝通，針對王甲的生理特點，開發(fā)最適合他的腦機接口算法。
使用的那天，研究團隊早早來到王甲的家中，幫王甲洗干凈頭發(fā)，戴上“頭盔”。開機，打開程序。王甲緊盯著屏幕的一個個字符，眼球不時輕輕轉(zhuǎn)動。神奇的一幕發(fā)生了：屏幕首先跳出一個字：擦。王甲的父母首先讀懂了這個字的含義，馬上幫他擦凈嘴角的口水。緊跟著，屏幕上又跳出一句話：感謝大家的關心！王甲的父母激動地流下了淚水，“以后終于能跟孩子交流了！”兩位老人說。
在不久前舉行的北京地區(qū)廣受關注學術論文報告會生物醫(yī)學工程專場中，高小榕又向大家展示了另一個神奇的研究領域：基于小腿表面肌電的智能機器人協(xié)同控制方法。通俗地理解就是：通過捕捉肌肉的電信號，讓機器人替腿干活兒。
2014年，高小榕團隊接受了一家國內(nèi)頂尖科技名營企業(yè)的邀請，開始帶隊攻堅，目標是通過采集肌肉電信號，解讀人的步態(tài)。以此開發(fā)的智能設備既可以預警老年人的跌到問題，也可以研發(fā)智能假肢、智能輪椅等，通過判斷用戶腿部肌肉信號，智能識別用戶的行動意愿，驅(qū)動雙腿或者輪椅前行、后退，“這樣又能大大改善一大批行動障礙群體的生活質(zhì)量。”高小榕說。
肌肉電信號是骨骼肌肉群接收從腦神經(jīng)信號傳導過來的控制信息而產(chǎn)生相應收縮時伴隨的電生理信號。計算機從相應的骨骼肌對應的體表上獲取，因為沒有了顱骨等阻礙，采集起來比腦電信號容易的多，信號可靠，易于辨識。但研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，它的缺點也十分明顯：首先，骨骼肌的疲勞速度遠遠比大腦要快。過了10分鐘、20分鐘，肌肉就開始出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，進而出現(xiàn)動作變形，這樣肌電信號也出現(xiàn)紊亂；同時，因為腿部的活動尺度比頭部要大得多，采集信號的電極與骨骼肌無法完全實現(xiàn)貼合，會帶來信號不穩(wěn)定；此外，電極的位置偏差也會導致信號出現(xiàn)漂移。
針對這些困難，高小榕帶著團隊學生做了大量的努力，包括采用遷移學習等信號分析方法。終于研發(fā)成功。
據(jù)介紹，這套人機交互系統(tǒng)由肌電采集模塊，模式識別模塊和機器人控制模塊構(gòu)成。其中肌電采集模塊采集受試行走中的肌電信號，將其放大采集后通過藍牙通訊送入模式識別模塊；模式識別分析模塊對信號進行處理，然后發(fā)送給機器人控制模塊；機器人控制模塊將不同指令輸入給智能機器人，從而控制機器人的運動。
實驗顯示，8位受試者在實時交互控制中，分別執(zhí)行前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)4種步態(tài)各320次。所有實驗的機器人識別率均高達80%以上，其中前進、后退的識別率高達90%以上。
高小榕說，傳統(tǒng)的人機交互是手為主，比如我們用手敲擊鍵盤、點擊鼠標，或者觸摸手機、PAD的屏幕。近年來隨著人工智能的發(fā)展，又陸續(xù)出現(xiàn)了通過語音、視頻圖像（人臉識別）等方式進行人機交互。未來，腦—機交互將逐漸登上主舞臺，“我們可以用意念來實現(xiàn)打電話，收發(fā)短信，甚至開車?！贝送?，腦—機交互在個人隱私保護方面也將大有可為。因為指紋乃至人眼虹膜，都是可以復制的，但人的腦電波肯定無法復制，這就形成了保密的唯一性。
今年的腦控打字記錄挑戰(zhàn)賽上，魏斯文實現(xiàn)的每分鐘691.55比特的速率。高小榕說，這個記錄未來會被很會被打破。按照摩爾定律，計算機性能每18個月會提升一倍。腦-機交互的效率也會由此提升。他們做過測算，10年后，腦機交互的速率有可能提升4倍以上，那個時候，用意念交流，在信息流速度方面，就可能不是問題了。
“看似玄幻，難以相信，但很多研究就是從科幻走到科學，然后走到技術應用。腦-機交互，已經(jīng)走向技術應用了?！备咝￠耪f。
面向未來，高小榕團隊的研究早已鋪開。他們正在研發(fā)的腦電采集設備將不再是一頂丑陋的帽子，而是一枚精致美觀的耳機，輕輕扣于耳廓即可，采集的腦電波信號無線高速傳輸，幫我們自由掌控各類穿戴智能設備、辦公設備、家居設備、汽車……
記者了解到，目前國內(nèi)清華大學、華南理工大學、國防科學技術大學、天津大學、浙江大學、西安交通大學、華東理工大學等諸多大學和研究機構(gòu)都在涉足腦-機接口的研究，并且成果頗豐。我國在腦機接口研究領域發(fā)表的論文數(shù)量僅次于美國，排名第二。全球該領域25篇高引論文中有9篇文章來自中國。在腦機接口的應用方面，華南理工大學在100余例嚴重癱瘓病人上進行了臨床試用，天津大學在天宮二號上成功實現(xiàn)了人類首次太空腦-機接口實驗。
來源：北京日報客戶端
作者張航
攝影：張航
監(jiān)制：丁肇文、王然
編輯：王海萍
流程編輯：孫昱杰
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