通過(guò)腦電波控制機(jī)器，也許很多人最初是從好萊塢科幻大片中認(rèn)識(shí)到還可以進(jìn)行這樣的操作，但如今隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，關(guān)于腦機(jī)接口的研究取得了越來(lái)越多的成果。如果真正了解腦機(jī)接口的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展前景，或許可以從另外一個(gè)角度審視機(jī)器人和人工智能的研究方向以及未來(lái)的發(fā)展前景。

什么是腦機(jī)接口？腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）是指大腦和外部世界建立的直接溝通渠道，換句話說(shuō)，就是直接解讀大腦活動(dòng)的信息，了解這個(gè)人的意圖，然后把意圖轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制。腦機(jī)接口可以看做一個(gè)雙向的閉環(huán)控制系統(tǒng)，一方面大腦要發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制，另一方面外部設(shè)備也要不斷地給大腦發(fā)送各種各樣的反饋信息，讓大腦及時(shí)調(diào)整控制策略，維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

實(shí)現(xiàn)一個(gè)腦機(jī)接口最基本、最關(guān)鍵的點(diǎn)在于怎樣監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)的信息。在過(guò)去的一二十年中，幾乎所有可以用來(lái)監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)的技術(shù)手段和方法都已經(jīng)用在腦機(jī)接口的研究當(dāng)中，包括無(wú)創(chuàng)的方法，比如腦電、腦磁，或者把電極直接植入顱內(nèi)。按照廣泛應(yīng)用來(lái)說(shuō)，無(wú)創(chuàng)肯定是首選的，所以在這里重點(diǎn)介紹無(wú)創(chuàng)基于頭皮腦電系統(tǒng)。

腦機(jī)接口的發(fā)展現(xiàn)狀

過(guò)去二十年來(lái)，許多國(guó)家實(shí)驗(yàn)室都在進(jìn)行腦機(jī)接口的研究，實(shí)現(xiàn)了多種方案和應(yīng)用模式。腦機(jī)接口，雙方相互作用的目的是想要改變對(duì)方的狀態(tài)，腦機(jī)接口系統(tǒng)中腦是生物學(xué)意義的智能系統(tǒng)，機(jī)是物理世界人工智能系統(tǒng)，整合在一起就構(gòu)成了協(xié)同的智能系統(tǒng)。

為了讓大家能夠在很短的時(shí)間內(nèi)大致了解腦機(jī)接口發(fā)展的現(xiàn)狀，在這里把各式各樣的應(yīng)用歸類為三個(gè)方面，也就是Interface（接口）、Interaction（交互）和Intelligence（智能）。

首先是Interface，按照字面來(lái)看，就是把兩個(gè)設(shè)備、兩個(gè)概念或者兩個(gè)系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)在所說(shuō)的互聯(lián)互通。腦和機(jī)連通以后能夠干什么呢？首先是控制，在腦機(jī)接口研發(fā)的初始階段，一個(gè)很主要的動(dòng)因就是給那些運(yùn)動(dòng)障礙的殘疾人提供外部交流的機(jī)會(huì)，所以很多實(shí)驗(yàn)室都研發(fā)了對(duì)輪椅進(jìn)行控制的系統(tǒng)。現(xiàn)如今，有些實(shí)驗(yàn)室還開發(fā)了一些用于對(duì)假肢和外骨骼進(jìn)行控制的系統(tǒng)。2014年，巴西世界杯上有一個(gè)下肢癱瘓的殘疾人用腦電信號(hào)把第一個(gè)球踢出去了，現(xiàn)在，這樣的控制系統(tǒng)即使是用無(wú)創(chuàng)技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的控制。

互聯(lián)互通以后雙方就可以實(shí)現(xiàn)通訊。兩年前有一個(gè)冰桶挑戰(zhàn)，目的是為ALS疾病籌措研究經(jīng)費(fèi)，著名物理學(xué)家斯蒂芬·威廉·霍金就患有這種疾病，到了后期全身沒(méi)有一個(gè)地方會(huì)動(dòng)，完全沒(méi)有辦法表達(dá)自己的意愿，所以腦機(jī)接口就成了他和外界交流的唯一通道。不久前，在中央電視臺(tái)的《挑戰(zhàn)不可能》節(jié)目中，展示了一個(gè)由清華大學(xué)開發(fā)的打字輸入系統(tǒng)，病人在演播大廳現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)輸入兩個(gè)完整的句子，利用腦電波實(shí)現(xiàn)了用意念打字的愿望。這套系統(tǒng)的通訊速率已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平。

除了腦和機(jī)的通訊之外，也有人關(guān)注腦和腦的直接通訊。美國(guó)華盛頓大學(xué)開發(fā)了一個(gè)用于兩個(gè)人之間進(jìn)行通訊的系統(tǒng)，了解一個(gè)人的意圖以后可以將其發(fā)送給對(duì)方，對(duì)方便可接收到命令，這是通過(guò)顱內(nèi)刺激把信號(hào)直接傳遞到大腦實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到可以連接到更多的人，把更多的腦和腦之間的通訊聯(lián)系起來(lái)，協(xié)調(diào)解決一個(gè)共同關(guān)心的問(wèn)題。

關(guān)于Interaction，強(qiáng)調(diào)的就是腦和機(jī)之間的相互作用，作用的目的就是希望改變對(duì)方的狀態(tài)。在腦機(jī)系統(tǒng)中，一邊是腦，一邊是機(jī)，腦要改變機(jī)的狀態(tài)，控制外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)某種動(dòng)作。實(shí)際上機(jī)也在設(shè)法改變腦的狀態(tài)，就是基于觀察到的大腦皮層的可塑性，只要給予一定的信息或者進(jìn)行一定的訓(xùn)練就可以改變大腦皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接方式，將來(lái)可以用來(lái)減緩疾病的傷害，或者在健康人群使用以提升人的認(rèn)知能力。

腦機(jī)接口在康復(fù)應(yīng)用領(lǐng)域是非常重要的。中風(fēng)是一個(gè)很常見(jiàn)的疾病，發(fā)生以后經(jīng)常會(huì)引起偏癱。偏癱，就是大腦中管運(yùn)動(dòng)的皮層受到損傷，醫(yī)院對(duì)此采取的措施大概就是使用康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人幫助病人活動(dòng)腿腳，但是這種做法的效果不是很好。因?yàn)閷?duì)于病人來(lái)說(shuō)，損壞的地方是大腦半球皮層運(yùn)動(dòng)中樞，只活動(dòng)胳膊、腿效果不會(huì)太好。所以，現(xiàn)在基于腦機(jī)接口開發(fā)了另一種主動(dòng)的訓(xùn)練方式，就是讓中風(fēng)病人想像癱瘓肢體的運(yùn)動(dòng)，想像的時(shí)候腦電是有反應(yīng)的，從而可以通過(guò)腦電系統(tǒng)測(cè)量腦電反應(yīng)，一旦發(fā)現(xiàn)真的是想動(dòng)的時(shí)候再去啟動(dòng)訓(xùn)練的機(jī)器人。研究表明，這樣的主動(dòng)訓(xùn)練方式是非常有效的。

除了殘疾人之外，腦機(jī)接口應(yīng)用在健康人群中的神經(jīng)反饋也是很重要的。比如，從一名射擊新手過(guò)渡到優(yōu)秀選手需要不斷地反復(fù)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，如果訓(xùn)練是盲目的話效果就會(huì)很差。現(xiàn)在，通過(guò)腦機(jī)接口，可以做到了解優(yōu)秀選手執(zhí)行射擊任務(wù)時(shí)的腦狀態(tài)是怎樣的。研究表明，優(yōu)秀選手射擊時(shí)腦活動(dòng)的水平是比較低的，大腦的阿爾法節(jié)律是比較高的。因此，把腦活動(dòng)及時(shí)在線反饋給射擊選手，讓他了解自己距離優(yōu)秀射手還有多大差距，從而不斷調(diào)整自己的腦狀態(tài)，使自己盡快達(dá)到優(yōu)秀射手的水平。

關(guān)于Intelligence，腦機(jī)協(xié)同智能實(shí)際上包含了兩種系統(tǒng)：一種是生物學(xué)意義上的智能系統(tǒng)，另一種是物理機(jī)層面上的智能系統(tǒng)。大家知道，相較于人的智能系統(tǒng)，現(xiàn)在的人工智能系統(tǒng)水平差得多，在這種情況下人工智能的研究方向可以分為兩條道路進(jìn)行：一條是繼續(xù)研究，做出一個(gè)特別聰明的機(jī)器人;另一條是既然人比機(jī)器聰明，干脆把人邀請(qǐng)進(jìn)來(lái)一起進(jìn)行研究，這樣就可以達(dá)到非常完美的效果。

協(xié)同智能的概念在腦機(jī)接口研究的初期階段就出現(xiàn)了，因?yàn)閮蓚€(gè)系統(tǒng)的整合不是簡(jiǎn)單的對(duì)齊，開始的時(shí)候人們就知曉這是一種相互對(duì)接，每一方的自適應(yīng)系統(tǒng)要適應(yīng)對(duì)方的變化，然后不斷調(diào)整自己的控制策略，最后使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。目前，很多場(chǎng)合都在使用Human AI的概念，但實(shí)際上，腦機(jī)系統(tǒng)要是和AI有關(guān)系的話，那它就是一個(gè)有人參與的AI，不是純粹意義上的AI。

這里特別引用美國(guó)《國(guó)家人工智能研究和發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃》的論述：人工智能的研究未必一定要替代人，應(yīng)該是兩邊合作起來(lái)構(gòu)成Human AI，這種情況下往往可以把事情做得很好。

目標(biāo)檢測(cè)是大家經(jīng)常碰到的問(wèn)題，人工智能在人臉識(shí)別方面做得非常好，已經(jīng)在很多情況下得到了廣泛應(yīng)用，但是從一般意義上來(lái)講，目標(biāo)識(shí)別是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。一方面目標(biāo)是各種各樣的，另一方面目標(biāo)所處的周圍環(huán)境可能是很復(fù)雜的。遇到這種復(fù)雜情況，人工視覺(jué)就會(huì)遇到很大的麻煩，如果是人識(shí)別這個(gè)目標(biāo)，那么不管尺度有什么變化，光照有什么變化，姿態(tài)有什么變化，人都能夠很快地把這個(gè)目標(biāo)識(shí)別出來(lái)。真的有人設(shè)計(jì)了這樣一套系統(tǒng)，把圖像一楨一楨很快地展現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)一個(gè)人專注于尋找某個(gè)目標(biāo)時(shí)，我們監(jiān)測(cè)腦活動(dòng)的信號(hào)，一旦出現(xiàn)正向波，我們就可以知道他應(yīng)該關(guān)注的目標(biāo)是什么。

哥倫比亞大學(xué)設(shè)計(jì)了一套系統(tǒng)，把人的視覺(jué)和機(jī)器的視覺(jué)整合到一個(gè)平臺(tái)，但實(shí)際上二者誰(shuí)也替代不了誰(shuí)。人雖然在目標(biāo)識(shí)別方面比較準(zhǔn)確，但是不能處理千千萬(wàn)萬(wàn)張圖像。而人工智能可以在很快的時(shí)間內(nèi)處理大量的數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)集的圖像進(jìn)行標(biāo)記，哪個(gè)圖像上有目標(biāo)出現(xiàn)，這樣的合作系統(tǒng)放在一起工作，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間證明，檢測(cè)效率可以提升十倍左右。

目前有研究報(bào)告表明，全世界每年有100萬(wàn)人由于各種原因需要做截肢手術(shù)，緊接著遇到的問(wèn)題就是要安裝假肢，這需要做得非常靈巧，自由度非常高，但問(wèn)題在于把假肢裝到這個(gè)人身上以后誰(shuí)來(lái)控制？這樣的控制效果肯定不會(huì)太好，那么誰(shuí)來(lái)控制效果最好？答案肯定是我們的大腦，因?yàn)橹挥写竽X的控制才能完成最精細(xì)的動(dòng)作，那么人斷臂的話腦袋還好使嗎？當(dāng)然是好的，從上到下，一直到手術(shù)殘端都是好的。

腦機(jī)接口的未來(lái)發(fā)展前景

在上文中，我們分為三個(gè)部分介紹了腦機(jī)接口發(fā)展的現(xiàn)狀，就是Interface、Interaction和Intelligence這三個(gè)部分，這也使得腦機(jī)接口的應(yīng)用從專注于殘疾人輔助器械的角度擴(kuò)展到更為廣泛的健康人群的角度。盡管腦機(jī)接口取得了很多成績(jī)，但是到目前為止基本上還處于實(shí)驗(yàn)室展示的水平，距離真正的商業(yè)化應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。

大家可能會(huì)問(wèn)，腦機(jī)接口往下發(fā)展到底會(huì)遇到什么樣的挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)？其實(shí)，腦機(jī)接口面臨的挑戰(zhàn)是非常多的。從基礎(chǔ)研究的角度來(lái)看，和腦科學(xué)有關(guān)的很多事情還沒(méi)有搞定;從工程技術(shù)的角度來(lái)看，對(duì)于如何解讀信號(hào)也還有很多問(wèn)題需要解決;從推廣應(yīng)用的角度來(lái)看，腦機(jī)接口涉及到復(fù)雜的倫理問(wèn)題，這些都是腦機(jī)接口在發(fā)展過(guò)程中所會(huì)遇到的挑戰(zhàn)。

以工業(yè)領(lǐng)域?yàn)槔?，要想?zhǔn)確解讀腦機(jī)信號(hào)的話，需要有可靠的數(shù)據(jù)。如果是在人的頭皮貼一個(gè)電極，那么測(cè)量的是大腦皮層千千萬(wàn)萬(wàn)的神經(jīng)元，是透過(guò)顱骨和皮層獲得電極。而現(xiàn)在的問(wèn)題是直接和顱內(nèi)神經(jīng)元對(duì)接，但顱內(nèi)神經(jīng)元的數(shù)量達(dá)到千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)，要是真正進(jìn)行對(duì)接的話困難重重，將來(lái)哪怕達(dá)到幾萬(wàn)個(gè)電極，那對(duì)于這種天文數(shù)字的神經(jīng)元來(lái)說(shuō)也只是九牛一毛。

這么多的電極是如何放到大腦里面的？以開顱的方式放進(jìn)去肯定是不行的，所以我們要研究對(duì)人創(chuàng)傷非常少的非外科手術(shù)，就是對(duì)人的顱腦結(jié)構(gòu)沒(méi)有損傷的技術(shù)，從而能夠把這些電極放進(jìn)去。如果顱內(nèi)真的放了千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)傳感器，那么采集到的信號(hào)怎么往外傳？最早研究的時(shí)候拿幾根線就可以做到這一點(diǎn)，但如果是千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)的話拿幾根線進(jìn)行傳輸是不可能的，所以需要開發(fā)高通量的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。最后，要是真的獲得了海量數(shù)據(jù)，該如何處理這些數(shù)據(jù)？現(xiàn)在一般的計(jì)算機(jī)可能實(shí)現(xiàn)不了所謂的超算功能。

幾個(gè)月前，埃隆·馬斯克（Elon Musk）建了一個(gè)平臺(tái)，可植入顱內(nèi)電極達(dá)到3000多個(gè)，并專門開發(fā)了一個(gè)機(jī)器人，幫助把電極植入顱內(nèi)，創(chuàng)傷可以做得非常小，因?yàn)橥耆亲灾鏖_發(fā)的機(jī)器人設(shè)備。但電極進(jìn)去以后這些通道的神經(jīng)元信息該如何取出來(lái)？對(duì)此他又開發(fā)了定制芯片，將采集的數(shù)據(jù)數(shù)字化。當(dāng)然，最后還需要對(duì)神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行分析。相較于現(xiàn)有的平臺(tái)，這種平臺(tái)的技術(shù)水平往前提高了一大步。不到兩個(gè)星期之后，F(xiàn)acebook也公布了他們關(guān)于腦機(jī)接口的最新研究成果，利用人類大腦皮層的活動(dòng)對(duì)問(wèn)答式對(duì)話內(nèi)容實(shí)時(shí)解碼。如果將來(lái)這個(gè)事情真的做成功的話，可以通過(guò)這種信號(hào)直接解碼出這個(gè)人想做什么，不用自己開口便可以知道你想說(shuō)什么。

實(shí)際上， Facebook在兩年前就制定了一個(gè)雄心勃勃的計(jì)劃，希望創(chuàng)造一種每分鐘能夠從大腦中讀取100個(gè)單詞的無(wú)聲語(yǔ)音系統(tǒng)，這要比一個(gè)人用手機(jī)輸入打字的速度快好幾倍，但是到現(xiàn)在為止這個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)還要看今后的發(fā)展。最近有人提出了一個(gè)新的理念，也是叫BCI，但不是Brain Computer Interface，而是Brain Cloud Interface（腦云接口），采集信息以后再通過(guò)納米機(jī)器人傳出來(lái)。由于采集的數(shù)據(jù)量非常大，所以應(yīng)該放在云端處理，于是發(fā)明另外一個(gè)BCI（Brain Cloud Interface），按照作者在文章中的說(shuō)法，今后的幾十年我們一定能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的系統(tǒng)，就是實(shí)現(xiàn)大腦和云端的完全對(duì)接。

1973年，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的一位學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室里搭建了一個(gè)腦機(jī)接口系統(tǒng)，以當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件來(lái)說(shuō)，搭建起這樣一個(gè)腦機(jī)接口系統(tǒng)是非常困難的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)、腦焊機(jī)動(dòng)輒就是若干個(gè)柜子。當(dāng)時(shí)腦機(jī)接口（Brain Computer Interface）被首次提出來(lái)，后來(lái)經(jīng)過(guò)了很多次的發(fā)展。現(xiàn)在一批關(guān)鍵技術(shù)突破以后，研究界發(fā)表了各種各樣的關(guān)于腦機(jī)接口的研究報(bào)告，腦機(jī)接口的發(fā)展呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。特別值得我們關(guān)注的是到了今年，也就是過(guò)去的兩三個(gè)月，一些所謂的黑科技公司不斷發(fā)聲，公布自己在腦機(jī)接口方面的研究成果，似乎預(yù)示著腦機(jī)接口在不久的將來(lái)會(huì)迎來(lái)一個(gè)新的發(fā)展階段。

（本文根據(jù)清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系教授高上凱在“2019世界機(jī)器人大會(huì)”現(xiàn)場(chǎng)演講整理而成，未經(jīng)演講人審閱）