腦機接口，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
關鍵詞：康復
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;近日，四肢癱瘓了30年的羅伯特在約翰斯·霍普金斯大學醫(yī)學院向全世界展示了“意念控制”機械臂給自己喂食蛋糕。
如果可以實現(xiàn)“意念控制”，你最想用來做什么？
“人腦控制”“人機互聯(lián)”等出現(xiàn)在科幻大片中的場景正在成為現(xiàn)實，而這背后的科技便是“腦機接口”。
受試者只需佩戴可測量腦電波的腦電極帽，并想象移動手臂，就可以讓與電腦系統(tǒng)相連的機器臂隨意念而動，在紙張上一筆一畫地寫出“福”字。
腦機接口技術（BCI），被譽為人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是在人腦和計算機或其他電子設備之間，建立不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路的全新技術。
“我們在大腦里的想法，通常是通過神經(jīng)外周組織或者肌肉組織表達出來，而腦機接口技術則是繞過這樣的正常通路，在大腦和計算機之間直接建立聯(lián)系?！碧旖蚰X科學中心主任助理、天津大學醫(yī)學工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究院副教授許敏鵬接受《瞭望東方周刊》采訪時說。
研制出“神工”系列人工神經(jīng)康復機器人系統(tǒng);與中國航天員訓練中心合作開展國際首次在軌腦機交互實驗;開發(fā)出基于極微弱事件相關電位的新型腦機接口系統(tǒng)，實現(xiàn)對迄今為止最微弱的腦電控制信號進行準確識別與高效應用……自2014年以來，許敏鵬所在的天津大學神經(jīng)工程團隊不斷探尋著人機交互的“無限可能”。
從“意念打字”到“腦控無人機”
在天津大學醫(yī)學工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學研究院實驗室，一名男生佩戴著布滿靈敏電極的腦電極帽，緊盯電腦屏幕，無需雙手操作，正通過“意念”控制著無人機穿越兩處環(huán)形指定區(qū)域，實現(xiàn)了對無人機連續(xù)、實時、穩(wěn)定的控制。
這套腦控無人機系統(tǒng)是天津大學神經(jīng)工程團隊于2020年1月研發(fā)出來的，包括空間六向、起飛、降落、順逆時針旋轉(zhuǎn)、懸停和狀態(tài)保持等12個系統(tǒng)指令，首次實現(xiàn)了利用腦機接口對無人機的前后、左右、上下，以及順逆時針旋轉(zhuǎn)等4個自由度的連續(xù)控制。
“腦控無人機系統(tǒng)在人機交互領域有廣泛的應用前景，例如可與增強現(xiàn)實或虛擬現(xiàn)實技術相結(jié)合，擺脫目前BCI系統(tǒng)對屏幕的依賴，實現(xiàn)基于周圍環(huán)境的沉浸式操作，用于遠程的目標搜索、環(huán)境巡查、異常監(jiān)控等場景。”許敏鵬介紹。
在此之前，該團隊就曾解決腦機接口指令數(shù)量與編解碼速度之間相互制約的難題，突破腦機百指令編解碼大關，實現(xiàn)了108個指令的“意念寫字”和“意念打字”。
2019年1月，天津大學的畢業(yè)生收到一份特殊的禮物——一份通過“意念”書寫的“?！弊?，這便是由許敏鵬所在團隊完成并實現(xiàn)的。受試者只需佩戴可測量腦電波的腦電極帽，并想象移動手臂，就可以讓與電腦系統(tǒng)相連的機器臂隨意念而動，在紙張上一筆一畫地寫出“?！弊?。
此外，該團隊利用腦機接口技術幫助人們越過鍵盤打字環(huán)節(jié)，用“意念”解碼輸出漢字、字符。經(jīng)過訓練的受試者可做到通過布滿字符的虛擬鍵盤，在無需雙手操作的情況下，實現(xiàn)超過普通人用觸屏手機打字的速度。
許敏鵬向本刊記者介紹，實現(xiàn)腦機接口的路徑主要分為“非侵入式”和“侵入式”。天津大學神經(jīng)工程團隊的研究對象主要為前者，即通過可穿戴的腦電波檢測設備獲取腦電信號，此采集方式對人體無傷害，但由于頭骨的屏障作用，采集到的腦信號相對較弱且不穩(wěn)定。
而“侵入式”腦機接口技術則是通過將電極植入到大腦內(nèi)部，直接提取神經(jīng)信號，因此具有較高的信號質(zhì)量，但存在生物相容性等問題，且電極周圍微環(huán)境的變化對信號質(zhì)量帶來嚴重影響，不利于長時間采集。目前，國外有關研究人員采用此技術將電極植入患者大腦，實現(xiàn)對機械臂等設備的簡單操控，并完成了簡單喝水或抓握等動作。
專注于研究“侵入式”腦機接口技術的代表性企業(yè)是美國硅谷企業(yè)家埃隆·馬斯克所創(chuàng)立的腦機交互技術公司“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接口設備的小豬，其腦部活動信號可以被實時讀取。當工作人員給小豬喂養(yǎng)食物并進行觸碰時，所采集的小豬大腦信號顯示其處于活躍狀態(tài)，而通過進一步分析其腦電信號，可以預測小豬的運動步伐和模式。
這枚植入小豬大腦名為“Link”的設備約為硬幣大小，可通過藍牙連接智能手機，電池續(xù)航時間為一整天。實驗的成功意味著向利用植入設備來治療頸脊髓損傷等嚴重神經(jīng)疾病又邁進了一步。
助腦卒中患者康復
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，這讓他對康復更有信心?！?019年，我因患腦出血導致身體左側(cè)偏癱，手腕、腳踝關節(jié)都無法正?；顒??！毙鞂氣A說。經(jīng)歷一系列理療、針灸、按摩等傳統(tǒng)肢體康復訓練后，一直效果不理想。
2020年5月，他來到天津大學天津醫(yī)院康復科，接受基于腦機接口技術的康復訓練。
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，想象腕關節(jié)、踝關節(jié)需要做的動作。腦電極帽接收到腦電波后，手臂電極處產(chǎn)生相應電流，激發(fā)腕關節(jié)、踝關節(jié)的活動，進行功能康復訓練。經(jīng)過十余次治療，他在摘除腦電極帽后已經(jīng)能自行進行腕關節(jié)背伸、踝關節(jié)背屈等運動。
該醫(yī)院康復科副主任醫(yī)師李奇說，2019年7月，天津醫(yī)院將 “神工二號” 人工神經(jīng)康復機器人系統(tǒng)應用于神經(jīng)康復治療的臨床實驗中。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)過模擬解碼患者的運動康復意念信息，進而驅(qū)動多級神經(jīng)肌肉電刺激技術產(chǎn)生對應動作。
一年多來，醫(yī)院接收了40余例腦卒中、周圍神經(jīng)損傷患者，治療效果都有明顯提升。
“患者在運動康復訓練的同時，該系統(tǒng)能促進患者受損腦區(qū)功能恢復、修復，并具有重建體內(nèi)神經(jīng)通路的可塑性?！?李奇補充道。
徐寶釧說：“現(xiàn)在我上下肢都有感覺了，心態(tài)上更有自信了。我期盼著這項技術能夠盡快在醫(yī)療康復領域正式使用，為更多腦卒中患者帶來希望?！?/p>
如今，“神工”系列人工神經(jīng)康復機器人系統(tǒng)在天津多家三甲醫(yī)院開展腦機接口技術康復訓練臨床試驗，很多患者的狀況都有明顯改善。
天津大學神經(jīng)工程團隊成員劉源對《瞭望東方周刊》記者表示，團隊正在研發(fā)“神工三號”人工神經(jīng)康復機器人，在技術和適用性等方面進一步革新。
“試想，未來宇航員在頭部佩戴上微型腦機接口裝置后，僅需在空間站‘意念一動，機器人便會根據(jù)指令要求進行空間探測、技術維護等太空操作，這將多么美好?！?/blockquote>
據(jù)介紹，新裝配的腦控機械外骨骼模塊與功能性電刺激模塊形成良好的互補作用，為腦卒中患者的腦-機-體主動交互康復訓練提供穩(wěn)定的外部支撐力，能確?？祻瓦^程尤其是下肢康復的安全性與可靠性。
“我們目標是將‘神工設計成體積更小的可穿戴便攜設備，不僅輔助病人完成更多復雜而精細的肢體動作，還可以實時讀取大腦激活狀態(tài)，從而及時調(diào)整康復訓練模式?！眲⒃凑f。
人類首次太空腦機交互
腦機接口技術既能“腳踏實地”，幫助患者進行康復訓練;也能“仰望星空”，為人類“解鎖深空”帶來更多可能。
2016年，在我國天宮二號與神舟十一號載人飛行任務中，天津大學神經(jīng)工程團隊聯(lián)合中國航天員中心成功開展了人類歷史上首次太空腦機交互實驗。
“兩名航天員在太空中先后進行了P300、穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位、運動想象三類經(jīng)典范式的實驗，通過高度個人定制化的模型，實現(xiàn)了對航天員意念的實時識別?！?許敏鵬告訴本刊記者，在太空環(huán)境中，航天員完成看似簡單的任務都會受到極大限制，腦機交互讓航天員多了一只手，能減輕其作業(yè)負荷。
該團隊通過大量地基實驗深入揭示了失重、噪聲、情緒等對腦電的影響，實現(xiàn)了高識別度、高穩(wěn)定性、適于空間環(huán)境的腦機接口自適應分類技術。
此外，他們還建立了針對航天特征的實驗策略和訓練方法，大幅提高了系統(tǒng)識別正確率，為有效開展外太空和地球之間的差異對比建立穩(wěn)定基線。這將對我國后續(xù)深入開展人-智能機器人聯(lián)合深空探測起到重要推動作用。
由于上天設備要求重量小、性能高、更集約，2019年，該團隊與中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團合作研發(fā)了一款高集成腦機交互芯片“腦語者”，值得注意的是，這是擁有完全自主知識產(chǎn)權的國產(chǎn)芯片。
“這款芯片能快速識別出頭皮腦電中極微弱的神經(jīng)信息，高效計算解碼用戶操作指令。這將大幅提升大腦與機器之間的通訊效率?！痹S敏鵬向本刊記者介紹。
“腦語者”的研制成功，給人類探索太空帶來了更多可能。目前，團隊聯(lián)合中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團正在研發(fā)更低功耗、更高集成度的“腦語者2.0”芯片，該芯片有望為腦機交互技術走向民用化、便攜化、可穿戴化及簡單易用化開辟道路。
“試想，未來宇航員在頭部佩戴上微型腦機接口裝置后，僅需在空間站‘意念一動，機器人便會根據(jù)指令要求進行空間探測、技術維護等太空操作，這將多么美好?！?許敏鵬笑著表示，未來，腦機接口技術的應用場景會更加豐富，逐步“飛入尋常百姓家”，與人類生活密不可分。
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