石菲

你能想象嗎？現(xiàn)在可以通過識(shí)別大腦頭皮層電流變化和血液的流動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)由人的大腦意念來控制機(jī)器人。未來，思維控制機(jī)器人可以在醫(yī)療、智能家電等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

Dean Aslam博士是微觀和納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（MANTL）主任和密歇根州立大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)教授，IEEE高級(jí)會(huì)員。目前正在從事思維控制機(jī)器人的研究工作，《中國(guó)信息化》獨(dú)家采訪了Dean Aslam博士，為您揭秘思維控制機(jī)器人的前世今生。

讓機(jī)器人成為“代理士兵”

Dean Aslam博士介紹說，當(dāng)我們想到某個(gè)人或某件事情的時(shí)候，我們的思維過程將通過觸發(fā)大腦前額葉的神經(jīng)元啟動(dòng)。為使大腦得到更多細(xì)節(jié)，需要觸發(fā)大腦不同部位的神經(jīng)元。因?yàn)椴糠稚窠?jīng)元活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生微量的電流，任何思維過程都會(huì)產(chǎn)生一種稱為腦電波的電磁波在整個(gè)大腦環(huán)游。

當(dāng)這些電磁波“流出”大腦，它們將被腦電圖描記傳感器（EEG）檢測(cè)到。檢測(cè)到的信號(hào)頻率反映了我們的大腦活動(dòng)狀態(tài)，比如專注和放松等。如果在裝置在頭部的EEG系統(tǒng)和裝置在機(jī)器人上面的控制電路之間建立了無線連接，人腦傳達(dá)的信息就可以用來操控機(jī)器人了。

思維操控的假肢運(yùn)動(dòng)起來就像真的肢體一樣。即使在我們睡覺的時(shí)候，智能家居裝置依然能夠通過思維控制的方式自動(dòng)開關(guān)。而且這個(gè)系統(tǒng)是非侵入性的，因?yàn)樗鼈兛梢宰R(shí)別前額10至100微伏的非常微弱的信號(hào)。

人類大腦所發(fā)出的電磁波（介于0.3～60赫茲）通常能夠被EEG中使用的大量電極（21-64個(gè)電極）檢測(cè)到。雖然明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員已經(jīng)展示過一個(gè)使用64個(gè)電極的思維控制四軸飛行器，但這樣的系統(tǒng)非常復(fù)雜和昂貴。

其實(shí)，這種意念控制技術(shù)其實(shí)在2007年便已取得了較大突破，來自美國(guó)華盛頓大學(xué)的學(xué)生曾開發(fā)出了一套新系統(tǒng)，可以讓使用者通過思維來控制機(jī)器人抓取并搬運(yùn)物體。不過當(dāng)時(shí)所使用的感應(yīng)器相當(dāng)復(fù)雜。

2009年英國(guó)《每日郵報(bào)》也報(bào)道過一家日本公司開發(fā)的新技術(shù)，是通過識(shí)別大腦頭皮層電流變化和血液的流動(dòng)信息，實(shí)現(xiàn)由人的大腦意念來控制機(jī)器人。當(dāng)時(shí)這種技術(shù)已可以實(shí)現(xiàn)比如打開汽車車門或者關(guān)閉家里的暖氣這樣的簡(jiǎn)單動(dòng)作。不過當(dāng)時(shí)該日本公司的技術(shù)人員稱，由于讀取數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，所以這項(xiàng)技術(shù)暫時(shí)還不能在現(xiàn)實(shí)生活中使用。比如使用者如果受外界影響稍一分心，就會(huì)出現(xiàn)控制失誤，導(dǎo)致機(jī)器人行為失控。而且每個(gè)人的大腦構(gòu)造不同，每一位使用者在戴上感應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)之前，科研人員都至少需要花上兩至三個(gè)小時(shí)來研究使用者的大腦構(gòu)造，才能夠令機(jī)器人更準(zhǔn)確獲得相應(yīng)的人腦信息。

而美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局2013年預(yù)算報(bào)告中披露，美國(guó)正在進(jìn)行一項(xiàng)名為“阿凡達(dá)”的研究項(xiàng)目，打算在未來打造出像電影《阿凡達(dá)》中一樣可用人腦遠(yuǎn)程控制的“機(jī)器人軍團(tuán)”。其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)讓人類士兵用思維控制類人機(jī)器人參戰(zhàn)，使真人能夠遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的戰(zhàn)場(chǎng)。

在我國(guó)，2013年首臺(tái)思維操控機(jī)器人在青島誕生?！俺錾痹谇鄭u的國(guó)內(nèi)首臺(tái)意念控制機(jī)器人，是一套集成了機(jī)械電子、康復(fù)醫(yī)學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)等多種高新技術(shù)的新型康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)。

目前，密歇根州立大學(xué)微納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究者利用3D打印技術(shù)，使腦電圖電極、電子產(chǎn)品的包裝和電源實(shí)現(xiàn)了小型化。他們的思維控制系統(tǒng)能夠被安裝在帽子或者假發(fā)上，用于控制機(jī)器人和智能家居家電等設(shè)備。新的腦電圖系統(tǒng)也將有助于研究常見的神經(jīng)中樞疾病，這是通過使用革新性的、便宜的、非侵入性的并且穿戴舒適的個(gè)人整合醫(yī)療保健微系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。

下一步商業(yè)化

Dean Aslam透露說，在思維操控機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人識(shí)別指令的正確率超過90%，如果應(yīng)用了復(fù)合的控制信號(hào)（如注意力水平、眨眼、肌肉激活度等），這個(gè)準(zhǔn)確率可以被提升到接近100%。

除了讓使用者操控假肢、無人機(jī)和智能家居，這項(xiàng)技術(shù)一個(gè)主要的貢獻(xiàn)是可以應(yīng)用在個(gè)人保健。例如可以用來監(jiān)測(cè)睡眠，測(cè)量深度睡眠，快速眼動(dòng)睡眠（又稱異相睡眠），醒來的次數(shù)。而實(shí)現(xiàn)的可能性將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)期。人類的大腦是感官的集合，如果我們可以全天候監(jiān)測(cè)大腦電波，便可以實(shí)現(xiàn)個(gè)人化的心理和身體狀態(tài)監(jiān)測(cè)。在不久的將來，我們將能夠通過設(shè)備監(jiān)測(cè)大腦狀況來估算幸福感。

“我一直與研究精神系統(tǒng)疾?。ㄈ缗两鹕习Y和老年癡呆癥）和某些老年疾?。ㄈ绨V呆等）的研究者保持聯(lián)系，他們均表示對(duì)于腦電波技術(shù)的應(yīng)用前景非常感興趣。”談到思維控制機(jī)器人未來的應(yīng)用價(jià)值，Dean Aslam說。

目前，腦波相關(guān)的技術(shù)大多應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，例如治療癲癇等腦部疾病的病人，及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的早期預(yù)測(cè)。此外，已經(jīng)有多個(gè)科研機(jī)構(gòu)宣稱開發(fā)出了可以利用思維控制的義肢，幫助癱瘓病人完成簡(jiǎn)單動(dòng)作。不斷拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域，或許將成為智能機(jī)器人未來發(fā)展的趨勢(shì)。思維控制機(jī)器人將運(yùn)用于操作智能家居系統(tǒng)，人機(jī)界面，無人機(jī)，軍事及太空探索等領(lǐng)域。

值得注意的是，雖然人類對(duì)于腦波的研究已經(jīng)有60多年，但是相關(guān)的科研成果一直沒有能夠進(jìn)行大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。一方面是由于人的大腦過于復(fù)雜，人類對(duì)于它的研究還比較初級(jí)，另一方面，腦波測(cè)量的困難也成為阻礙技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要原因。人的大腦被緊緊包裹在頭蓋骨當(dāng)中，頭骨屏蔽掉了大量信號(hào)，能夠傳到外面的已經(jīng)相當(dāng)微弱，因此從外界測(cè)量就變得格外困難。

因此，目前思維控制機(jī)器人的功能還需要進(jìn)一步完善，面臨的主要挑戰(zhàn)在于兩點(diǎn)。電極、控制電子元件、電池和包裝的小型化和能否生產(chǎn)出廉價(jià)的、非侵入性以及靈活的腦電圖微系統(tǒng)。

在應(yīng)用方面，下一步Dean Aslam博士會(huì)持續(xù)在以下四個(gè)領(lǐng)域的研究：思維控制的假肢；思維控制的娛樂玩具和益智玩具；思維控制技術(shù)如何幫助神經(jīng)系統(tǒng)疾病的預(yù)防和治療，包括帕金森綜合癥，阿爾茨海默癥，注意缺陷障礙、注意缺陷多動(dòng)障礙，老年人疾病等；幸福感和自我意識(shí)的測(cè)量。