果琳麗張志賢張澤旭（ 中國空間技術研究院載人航天總體部 哈爾濱工業(yè)大學）

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腦-機接口技術在載人航天任務中的應用研究

果琳麗1張志賢1張澤旭2（1 中國空間技術研究院載人航天總體部 2 哈爾濱工業(yè)大學）

1　腦-機接口技術概述

腦-機接口技術概念

腦-機接口（BCI）是以腦電信號或其他相關技術為基礎，將大腦活動特征轉化為預定義的命令，從而實現(xiàn)與外界交流或者控制其他外部設備的先進技術，是一種不依賴身體肌肉組織系統(tǒng)和控制神經(jīng)系統(tǒng)的新型智能接口技術。因此，我們可以把BCI定義為一個非肌肉通信系統(tǒng)，它可以使人體的大腦意圖和外界環(huán)境進行直接的溝通交流，在計算機和大腦之間建立一個新的通信通道。

BCI和普通人機接口的一個主要差別是，BCI只需要檢測大腦的響應性或目的性活動信號，而不需要人體語言或身體動作的參與?；谀X電信號（EEG）的BCI并非試圖解釋大腦自發(fā)腦電，而是使大腦產生容易被解釋分析的腦電，BCI檢測分析出這種特異性腦電后，就可以發(fā)出相對應的控制信息。

BCl系統(tǒng)組成

BCl系統(tǒng)組成

BCI系統(tǒng)和任何通信系統(tǒng)一樣，有輸入（即來自使用者的大腦信號）、輸出（即設備指令）、將前者轉化為后者的組件，以及決定運行開始、偏移及定時的操作協(xié)議。因此，任何BCI系統(tǒng)都可以說是由四大部分組成：

1）信號采集，即采集大腦信號；

2）信號處理，即提取大腦信號特征并將其轉化為設備指令；

3）輸出設備，根據(jù)設備指令執(zhí)行動作來實現(xiàn)用戶的意圖；

4）操作協(xié)議，即引導操作流程。

對于部分BCI系統(tǒng)還會加入反饋環(huán)節(jié)，用戶不僅知道自己思維控制得到的結果，對于出現(xiàn)的誤操作，用戶也可以進行自主調節(jié)腦電信號以達到更好的控制目標。反饋可以提高系統(tǒng)的準確性、實時性，但是同時也會影響用戶體驗，對系統(tǒng)也帶來一定的資源負擔。

BCl技術的分類

根據(jù)傳輸形式，BCI技術可以分為單向BCI技術和雙向BCI技術，單向BCI技術不能同時發(fā)送和接收信號，而雙向BCI技術允許腦和外部設備間的雙向信息交換。

腦皮層電位（ECoG）信號是通過信號采集系統(tǒng)，經(jīng)過信號采集、放大、濾波、A/D轉換等輸出的預處理信號，即還原之后較為純凈的腦電信號；然后，ECoG信號處理系統(tǒng)經(jīng)過特征提取、模式識別、模式分類進行信號處理，將分類結果輸出；再經(jīng)過指令編碼，將信號變?yōu)榭刂浦噶顐鬏斀o控制機構，控制外界環(huán)境及設備；同時，將反饋信息經(jīng)過多通道反饋系統(tǒng)傳輸給計算機及人腦，進行人機交互，對控制指令進行進一步調整和確認。

交互環(huán)節(jié)是BCI系統(tǒng)的重要組成部分，應用于載人航天領域的雙向BCI系統(tǒng)是基于人機交互模式的。BCI系統(tǒng)的輸出通過視覺、聽覺、觸覺等方式反饋給使用者，使用者將結果與自己的期望進行比較，調整自身生理狀態(tài)，對后續(xù)輸入進行保持或者調解，以使系統(tǒng)輸出達到更好的效果。

雙向BCl人機交互技術結構圖

2　BCl技術在載人航天領域的潛在應用分析

載人航天任務中，航天員的生命安全是最重要的，航天員在環(huán)境惡劣的太空執(zhí)行任務，由于微重力、高輻射等空間環(huán)境的影響，會使一些原本簡單的任務變得復雜不可控。因此，將雙向BCI技術應用于載人航天領域可以確保航天員的安全，增加任務的靈活性和可靠性，提升空間操作的安全性和效率。

控制機器人進行空間站維修作業(yè)

空間站等航天器大多數(shù)安裝有高精度電子元器件，其中有很多微型元器件安裝在儀器中。航天器質量越小、體積越小，需要攜帶的燃料越少，有效載荷比就越高。因此，很多航天器的設備都盡可能節(jié)省空間，緊密安裝在狹小的空間內。這些電子元器件發(fā)生故障時，航天員很難對其進行修復，而且在任務執(zhí)行中，有些元器件不能拆卸。如果能將BCI技術和微型維修機器人結合，就能夠解決這類問題。

微型維修機器人由于體積小，能夠進入航天員到達不了的狹小空間，航天員可以通過微型維修機器人的拍攝裝置，在計算機上顯示出故障發(fā)生的位置，通過BCI控制微型維修機器人，將損壞的元器件換下，或者直接進行修復。

航天服內部環(huán)境控制

航天員在執(zhí)行艙外任務時，需要對航天服的內部環(huán)境進行監(jiān)測和調節(jié)，維持航天服內部環(huán)境的相對穩(wěn)定。由于外界環(huán)境的差異性、工作環(huán)境的復雜性，要根據(jù)外界的環(huán)境變化對航天服內部環(huán)境進行控制。可以將BCI技術應用于航天服內部環(huán)境控制系統(tǒng)中，通過實時性控制，確保環(huán)境控制的及時性。

在艙外作業(yè)中，如果航天員感覺到身體不適或遇到緊急事件時，可以通過BCI系統(tǒng)迅速向飛行器和航天服發(fā)送信號，無需手動操作，使航天服內部環(huán)境控制系統(tǒng)接收到指令信息可以做出快速反應，比如增加航天服內氧氣含量，提高航天服內溫度等，確保航天員生命安全。

BCl與肌電圖結合的人體機械外骨骼

基于BCI與肌電圖（EMG）結合的人體機械外骨骼，在載人航天領域有非常好的發(fā)展前景。航天員進行星表勘探時，星表探測器不能隨著航天員的運動范圍任意運動，航天員在進行人工鉆取、挖孔、采集星表土壤時，外骨骼裝備可以根據(jù)腦信號和肌肉信號的控制指令進行相應動作，為航天員節(jié)省了體能，并且能夠提供超出航天員自身的力量。在外骨骼裝備的幫助下，航天員可以在星表更為輕松、省力地行走。基于BCI與EMG的人體外骨骼裝備，同時接收ECoG信號和EMG信號，可以更好地為航天事業(yè)服務。

人體外骨骼示意圖

BCl與EMG結合的人體外骨骼控制系統(tǒng)示意圖

人體外骨骼裝備幫助脊椎受損的航天員恢復行走

對于長期生活在空間站或者經(jīng)受長期太空旅行的航天員來說，長期的微重力環(huán)境會對航天員的肌肉組織和骨骼組織造成傷害，導致骨質流失和肌肉萎縮等癥狀?？梢允褂没贐CI和EMG結合的人體外骨骼裝置，幫助航天員進行恢復訓練。比如，通過ECoG信號對腿部外骨骼進行控制，協(xié)助、強迫進行腿部訓練，給腿部肌肉持續(xù)受力，進行腿部機能恢復訓練。

對于在執(zhí)行任務中受傷、致殘的航天員，基于BCI和EMG結合的人體外骨骼技術，可以最大程度地幫助他們進行正常的生活。對于一名脊椎受損的航天員，通過無線數(shù)據(jù)通信建立閉環(huán)通信回路，可以繞過受損的脊椎部分，進行信息傳遞和反饋。

BCl與虛擬現(xiàn)實結合的載人車輛導航技術

在載人深空探測任務中，根據(jù)探測任務的需要，探測器到達探測目標后，要釋放星表探測器對探測目標進行表面作業(yè)，例如，月球車、火星車、小行星星表探測器等。這些星表探測器工作時需要進行導航，將BCI與虛擬現(xiàn)實（VR）技術相結合，可以對火星車等進行遠程大范圍導航。在探測器著陸之前的探測目標繞飛階段，對目標星進行拍攝和地形重構，將星表的三維圖像傳輸給可視化頭盔，航天員根據(jù)還原的視景呈現(xiàn)發(fā)出ECoG信號，通過BCI系統(tǒng)對ECoG信號進行處理、分析，轉化為導航信號分別傳輸給VR系統(tǒng)和火星車等導航目標。在VR系統(tǒng)的還原場景中，虛擬火星車執(zhí)行導航指令，航天員可以根據(jù)VR系統(tǒng)的圖像進行大范圍路徑規(guī)劃。同時，火星車接收導航命令進行工作，并將實時導航結果反饋給航天員，判斷是否繼續(xù)下一步導航指令。

BCl與VR結合的導航過程示意圖

機械臂操控技術

在執(zhí)行太空碎片回收、廢棄衛(wèi)星回收、小衛(wèi)星捕獲等航天任務時，需要對航天器的機械臂、機械手進行控制，對目標進行抓取、捕獲?？梢詫CI技術與航天器機械臂的控制相結合，通過BCI對航天器機械臂進行直接控制。

雖然使用傳統(tǒng)的操縱桿和顯示屏等接口的機械手或者機器人，可以從航天器內部或者地面手動控制，系統(tǒng)地完成一些任務，也能夠降低對艙外活動的需求，但是傳統(tǒng)機械手或者機器人的靈活性、適應性不足以代替所有的艙外活動，尤其是執(zhí)行特殊任務的高精度靈巧機械臂。

理想的航天器機械臂系統(tǒng)是操作者能夠通過運動想象，十分精確、即時地控制機械臂的移動，像控制自己的手臂一樣。為了能夠代替航天員的一些艙外活動，進行科學任務，基于BCI的機械臂系統(tǒng)必須能夠在速度、精度、安全性、靈活性上同已經(jīng)實現(xiàn)的方法處于同一水平上。

“國際空間站”桁架上的加拿大機械臂-2

控制機器人代替航天員出艙作業(yè)

載人航天任務中，最重要的就是保證航天員的生命安全。然而，太空環(huán)境極其惡劣，航天員在執(zhí)行艙外任務時，要承受多種宇宙射線和微重力環(huán)境的影響，身體健康和生命安全都受到一定程度的威脅。

針對這種情況，可以使用智能機器人代替航天員進行艙外活動，航天員在艙內通過BCI控制智能機器人工作，可以更安全、有效地完成科學任務，而且智能機器人可以到達航天員不能到達的區(qū)域和環(huán)境工作，還能完成一些航天員無法完成的科學探測任務。

航天員應急系統(tǒng)

載人深空探測已經(jīng)成為各國航天領域重點研究的領域，美國航空航天局（NASA）的小行星登陸計劃和火星登陸計劃都在按部就班地進行著。絕大多數(shù)的載人深空探測的任務周期都超過1年，航天員長期處于惡劣的太空環(huán)境，對身體健康和生命安全都有一定的威脅。因此，在載人探測任務計劃中會設計航天員應急系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，保證航天員在航天器緊急故障或突發(fā)狀況下，能夠啟動應急系統(tǒng)，保證航天員生命安全。

如果可以采用BCI技術啟動應急系統(tǒng)，可以在突發(fā)狀況下節(jié)省寶貴的時間，迅速啟動應急系統(tǒng)。而且突發(fā)狀況時，航天員由于各種原因，很難馬上接觸到應急裝置，用BCI進行啟動，會在第一時間為航天員提供幫助。

基于BCl的遙操作技術

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，在軌服務技術越來越受到重視，相應遙操作技術也得到大力發(fā)展。對于廢棄衛(wèi)星回收、衛(wèi)星天線等制定器件回收、空間碎片清理、超近距離導航、對接等任務，可以采用基于BCI的遙操作技術，可以保證任務的高效性和可靠性。

例如，對于廢棄衛(wèi)星的高頻天線回收，可以通過BCI控制飛行器的機械臂、機械手等對天線進行拆除和回收，再通過視頻傳輸信號進行任務反饋，根據(jù)機械臂、機械手的位置測量信息等反饋信息，再發(fā)出接下來的指令，通過遙操作完成對廢棄衛(wèi)星高頻天線的回收。

3　雙向BCl技術應用于載人航天任務中存在的關鍵問題

信息傳輸問題

從機器人角度看BCI問題，主要是如何實時、精確、巧妙地實現(xiàn)對機械臂的控制，以及將非植入式BCI應用在機器人控制領域。通常對機器人的靈活控制需要每秒至少20個控制指令，遠高于目前基于EEG的非植入式BCI的0.5bit/s的傳輸率和植入式BCI的6.5bit/s的傳輸率。為了說明目前BCI技術的現(xiàn)狀，以柏林BCI系統(tǒng)為例，在該系統(tǒng)中，6個被試者進行了3個簡單的基于運動想象的光標控制訓練任務，3個任務的平均數(shù)據(jù)傳輸率是0.3bit/s，而要實現(xiàn)對一個機械臂的靈活控制（包括控制方向、速度、抓握力量以及復雜的關節(jié)結構），顯然需要比這個大得多的信息傳輸率。

盡管在現(xiàn)在的技術條件下還無法實現(xiàn)對基于BCI技術的機器人實時、靈活的控制，但是可以實現(xiàn)一些現(xiàn)階段技術條件下可以完成的應用，比如不用手就實現(xiàn)對艙外航天服內部的環(huán)境控制等。另外，BCI技術還可以解碼高層次的指令，該指令將半自動地被機器人或者其他系統(tǒng)實現(xiàn)，此過程中可能伴隨著監(jiān)控，或者由更高層次的指令適當干預。

精度問題

決定BCI系統(tǒng)精度的因素包括個體的生物學差異、任務的種類、使用的硬件和軟件（包括預測機制的類型和錯誤信號的糾正）、信號質量以及一個特定使用者執(zhí)行一個思維任務的能力。在基于分類器的BCI系統(tǒng)中，精度必須用信息傳輸率和指令延時來衡量。若要對BCI系統(tǒng)的精度做出有意義的比較，這兩方面是必須參照的。但粗略來看，以柏林BCI為例，它區(qū)分兩種狀況的正確率大約為90%，個體正確率在78.1%～98%。對于很多更高維度的任務來說，系統(tǒng)的精度還會下降。另外，由于使用者的移動或者來自其他任務的干擾而導致信號噪聲增加，也會使得精度下降。

保證太空操作的精度并不單純?yōu)榱私档筒僮魇÷屎吞岣呷蝿盏男阅鼙憩F(xiàn)，在大部分的應用中，不足的精度還會造成安全問題、設備損壞或者阻礙操作的執(zhí)行。精度問題是目前BCI技術應用于載人航天領域的一個主要障礙。

反饋問題

快速、多維的反饋以實現(xiàn)類似于機械手臂這樣的裝置進行精確、平穩(wěn)的控制，以及避免設備的損壞是至關重要的。因此，機器人系統(tǒng)必須能夠察覺到差錯和力度的大小，還必須能自動改變這些參數(shù)或者實時地將這些信息反饋給使用者，以供其相應地改變自己的輸出。Kim等人稱，目前的機器人傳感器不足以很好地完成這些操作，即使完成了，反饋給使用者的信息質量和信息內容也會受到傳感方式的制約。

要在復雜的動態(tài)系統(tǒng)中實現(xiàn)精確的常速移動，常用的可視化方法將會引入過長的時延，盡管在基于植入式BCI的動物實驗中，實時的視覺反饋已經(jīng)被成功地應用于基本的機器人控制，但若要達到高實時性的精確控制，還需要進一步深入探索，通過融合其他方法，有效地增加反饋回來的信息量，在一定程度上減少反饋時延。目前，反饋問題仍然是將BCI技術應用于載人航天領域的瓶頸。

4　結束語

如果能將雙向BCI技術廣泛應用于未來的載人航天任務中，將大大減少對航天員出艙活動及維修、維護等任務的需求，有利于減輕航天員的工作負荷，提高工作效率，這是未來載人航天任務中實現(xiàn)人機聯(lián)合探測及操作的重要途徑。

Research on Application of Brain-computer Interface in Human Spaceflight Mission