發(fā)布時(shí)間: 2025年01月09日 18:01
在日常生活中，我們通過(guò)動(dòng)作、語(yǔ)言相互交流。那么有沒(méi)有一種可能，我們交流的方式不再僅限于這些語(yǔ)言動(dòng)作，而是通過(guò)腦電波就可以進(jìn)行交互？
當(dāng)然可能！
這種技術(shù)就是腦機(jī)接口技術(shù)。顧名思義，腦機(jī)接口技術(shù)是一種在大腦和計(jì)算機(jī)之間建立直接聯(lián)系的技術(shù)，而不需要外周神經(jīng)肌肉組織參與。這項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)記錄大腦的活動(dòng)情況，將其中攜帶的信息“解讀”出來(lái)，變成計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備也能明白的指令，進(jìn)而完成操作，達(dá)成目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)“心想事成”。
著名物理學(xué)家霍金生前是一位“漸凍癥”患者，數(shù)十年來(lái)他只能靠手指和眼角肌肉的微弱動(dòng)作來(lái)表達(dá)意愿。如今，隨著腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)對(duì)大腦的解讀日益迅速和精準(zhǔn)，類(lèi)似霍金這樣的“漸凍癥”患者將大幅提升生活質(zhì)量。同時(shí)對(duì)于普通人，未來(lái)“意念控制”實(shí)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(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室教授高上凱和高小榕帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)做了20年的腦機(jī)接口研究。記者日前探訪(fǎng)該實(shí)驗(yàn)室，揭秘腦機(jī)互聯(lián)如何“心想事成”。
日前記者來(lái)到清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院。在神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室，高小榕教授正在指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展科研。只見(jiàn)一名學(xué)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(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室，研究人員正在開(kāi)展腦機(jī)互動(dòng)的研究實(shí)驗(yàn)。
高小榕介紹，我們的大腦時(shí)時(shí)刻刻都在活動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，伴隨大腦神經(jīng)活動(dòng)的腦電波信號(hào)在不斷產(chǎn)生。如何獲取這些腦電信號(hào)，與計(jì)算機(jī)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(jī)接口，即通過(guò)開(kāi)顱手術(shù)直接在大腦皮層植入電極來(lái)記錄腦活動(dòng)。侵入式腦機(jī)接口由于可以直接監(jiān)測(cè)到大腦皮層的活動(dòng)，因而采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可以實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的信息讀取。但因?yàn)榘踩院褪中g(shù)創(chuàng)傷等問(wèn)題，目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。
另一種就是現(xiàn)場(chǎng)學(xué)生們正在開(kāi)展的非侵入式腦機(jī)接口。它只需要像戴帽子一樣佩戴上腦電采集帽就可以實(shí)現(xiàn)。“這種方式的弱點(diǎn)也顯而易見(jiàn)。畢竟我們讀取的腦電是透過(guò)厚厚的顱骨傳遞出來(lái)的，信號(hào)質(zhì)量要差一些，因此準(zhǔn)確解讀這些腦電信號(hào)的算法就變得尤為重要?！备咝￠耪f(shuō)，非侵入式腦機(jī)接口也是國(guó)內(nèi)學(xué)者普遍開(kāi)展的研究方向。
1999年高小榕就開(kāi)始做腦機(jī)接口的研究，到今年已經(jīng)整整20年了。他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首先提出了穩(wěn)態(tài)視覺(jué)誘發(fā)電位腦機(jī)接口，大大提升“意念控制”的準(zhǔn)確率，成為無(wú)創(chuàng)腦-機(jī)接口三種主要范式之一。
如何理解這種大腦與計(jì)算機(jī)互通的原理呢？高小榕說(shuō)，大腦神經(jīng)電信號(hào)存在跟隨效應(yīng)，如果以一定規(guī)律對(duì)人施加外部刺激，例如讓人看一個(gè)每秒閃爍15次的小方塊，就會(huì)發(fā)現(xiàn)從頭皮上記錄到的腦信號(hào)也具有對(duì)應(yīng)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(yù)先設(shè)計(jì)好不同的含義，那通過(guò)分析腦信號(hào)的規(guī)律，不就可以知道人在看哪個(gè)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(jī)器人大會(huì)上，有一場(chǎng)特殊的“角逐”備受關(guān)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(xiàn)纜，屏幕上出現(xiàn)一幅幅字母圖案。只見(jiàn)，一個(gè)個(gè)字母在屏幕的文本框內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)。這是本次世界機(jī)器人大會(huì)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(jī)器人大會(huì)上舉行腦控打字技能挑戰(zhàn)賽。選手們通過(guò)腦機(jī)交互，用“意念打字”展開(kāi)比拼。
選手們正是采用了非侵入方式實(shí)現(xiàn)腦機(jī)互聯(lián)，用大腦控制電腦，用“意念打字”展開(kāi)比拼。最終來(lái)自天津大學(xué)的魏斯文，在澳門(mén)大學(xué)與香港大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(xiàng)世界紀(jì)錄。作為大賽的專(zhuān)家組副組長(zhǎng)，高小榕告訴記者，魏斯文當(dāng)時(shí)的成績(jī)相當(dāng)于在100%準(zhǔn)確率下以0.413秒輸出一個(gè)英文字母。這個(gè)速度已經(jīng)高度接近我們?nèi)粘Ｊ褂檬謾C(jī)進(jìn)行文本輸入，“已經(jīng)非常了不起！”他說(shuō)。
利用腦機(jī)接口進(jìn)行信息交互，在康復(fù)領(lǐng)域也大有可為。今年，高小榕團(tuán)隊(duì)的研究成果讓一位“漸凍癥”重新“開(kāi)口”與家人交流的故事，登上了熒屏。平面設(shè)計(jì)師王甲是一名“漸凍癥”患者，過(guò)去的他熱愛(ài)運(yùn)動(dòng)，英俊陽(yáng)光。但隨著病魔侵襲，王甲失去了生活自理能力，無(wú)法站立，無(wú)法移動(dòng)手腳，甚至無(wú)法說(shuō)話(huà)，只有眼球移動(dòng)?！捌鋵?shí)他能聽(tīng)，能思考，但就是無(wú)法表達(dá)，很痛苦?！备咝￠耪f(shuō)，他們跟王甲家人多次溝通，針對(duì)王甲的生理特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)最適合他的腦機(jī)接口算法。
使用的那天，研究團(tuán)隊(duì)早早來(lái)到王甲的家中，幫王甲洗干凈頭發(fā)，戴上“頭盔”。開(kāi)機(jī)，打開(kāi)程序。王甲緊盯著屏幕的一個(gè)個(gè)字符，眼球不時(shí)輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)。神奇的一幕發(fā)生了：屏幕首先跳出一個(gè)字：擦。王甲的父母首先讀懂了這個(gè)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(huà)：感謝大家的關(guān)心！王甲的父母激動(dòng)地流下了淚水，“以后終于能跟孩子交流了！”兩位老人說(shuō)。
在不久前舉行的北京地區(qū)廣受關(guān)注學(xué)術(shù)論文報(bào)告會(huì)生物醫(yī)學(xué)工程專(zhuān)場(chǎng)中，高小榕又向大家展示了另一個(gè)神奇的研究領(lǐng)域：基于小腿表面肌電的智能機(jī)器人協(xié)同控制方法。通俗地理解就是：通過(guò)捕捉肌肉的電信號(hào)，讓機(jī)器人替腿干活兒。
2014年，高小榕團(tuán)隊(duì)接受了一家國(guó)內(nèi)頂尖科技名營(yíng)企業(yè)的邀請(qǐng)，開(kāi)始帶隊(duì)攻堅(jiān)，目標(biāo)是通過(guò)采集肌肉電信號(hào)，解讀人的步態(tài)。以此開(kāi)發(fā)的智能設(shè)備既可以預(yù)警老年人的跌到問(wèn)題，也可以研發(fā)智能假肢、智能輪椅等，通過(guò)判斷用戶(hù)腿部肌肉信號(hào)，智能識(shí)別用戶(hù)的行動(dòng)意愿，驅(qū)動(dòng)雙腿或者輪椅前行、后退，“這樣又能大大改善一大批行動(dòng)障礙群體的生活質(zhì)量?！备咝￠耪f(shuō)。
肌肉電信號(hào)是骨骼肌肉群接收從腦神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的控制信息而產(chǎn)生相應(yīng)收縮時(shí)伴隨的電生理信號(hào)。計(jì)算機(jī)從相應(yīng)的骨骼肌對(duì)應(yīng)的體表上獲取，因?yàn)闆](méi)有了顱骨等阻礙，采集起來(lái)比腦電信號(hào)容易的多，信號(hào)可靠，易于辨識(shí)。但研發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，它的缺點(diǎn)也十分明顯：首先，骨骼肌的疲勞速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比大腦要快。過(guò)了10分鐘、20分鐘，肌肉就開(kāi)始出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)動(dòng)作變形，這樣肌電信號(hào)也出現(xiàn)紊亂；同時(shí)，因?yàn)橥炔康幕顒?dòng)尺度比頭部要大得多，采集信號(hào)的電極與骨骼肌無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)貼合，會(huì)帶來(lái)信號(hào)不穩(wěn)定；此外，電極的位置偏差也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)漂移。
針對(duì)這些困難，高小榕帶著團(tuán)隊(duì)學(xué)生做了大量的努力，包括采用遷移學(xué)習(xí)等信號(hào)分析方法。終于研發(fā)成功。
據(jù)介紹，這套人機(jī)交互系統(tǒng)由肌電采集模塊，模式識(shí)別模塊和機(jī)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(hào)，將其放大采集后通過(guò)藍(lán)牙通訊送入模式識(shí)別模塊；模式識(shí)別分析模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，然后發(fā)送給機(jī)器人控制模塊；機(jī)器人控制模塊將不同指令輸入給智能機(jī)器人，從而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)顯示，8位受試者在實(shí)時(shí)交互控制中，分別執(zhí)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)4種步態(tài)各320次。所有實(shí)驗(yàn)的機(jī)器人識(shí)別率均高達(dá)80%以上，其中前進(jìn)、后退的識(shí)別率高達(dá)90%以上。
高小榕說(shuō)，傳統(tǒng)的人機(jī)交互是手為主，比如我們用手敲擊鍵盤(pán)、點(diǎn)擊鼠標(biāo)，或者觸摸手機(jī)、PAD的屏幕。近年來(lái)隨著人工智能的發(fā)展，又陸續(xù)出現(xiàn)了通過(guò)語(yǔ)音、視頻圖像（人臉識(shí)別）等方式進(jìn)行人機(jī)交互。未來(lái)，腦—機(jī)交互將逐漸登上主舞臺(tái)，“我們可以用意念來(lái)實(shí)現(xiàn)打電話(huà)，收發(fā)短信，甚至開(kāi)車(chē)?！贝送?，腦—機(jī)交互在個(gè)人隱私保護(hù)方面也將大有可為。因?yàn)橹讣y乃至人眼虹膜，都是可以復(fù)制的，但人的腦電波肯定無(wú)法復(fù)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(shí)現(xiàn)的每分鐘691.55比特的速率。高小榕說(shuō)，這個(gè)記錄未來(lái)會(huì)被很會(huì)被打破。按照摩爾定律，計(jì)算機(jī)性能每18個(gè)月會(huì)提升一倍。腦-機(jī)交互的效率也會(huì)由此提升。他們做過(guò)測(cè)算，10年后，腦機(jī)交互的速率有可能提升4倍以上，那個(gè)時(shí)候，用意念交流，在信息流速度方面，就可能不是問(wèn)題了。
“看似玄幻，難以相信，但很多研究就是從科幻走到科學(xué)，然后走到技術(shù)應(yīng)用。腦-機(jī)交互，已經(jīng)走向技術(shù)應(yīng)用了。”高小榕說(shuō)。
面向未來(lái)，高小榕團(tuán)隊(duì)的研究早已鋪開(kāi)。他們正在研發(fā)的腦電采集設(shè)備將不再是一頂丑陋的帽子，而是一枚精致美觀的耳機(jī)，輕輕扣于耳廓即可，采集的腦電波信號(hào)無(wú)線(xiàn)高速傳輸，幫我們自由掌控各類(lèi)穿戴智能設(shè)備、辦公設(shè)備、家居設(shè)備、汽車(chē)……
記者了解到，目前國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)、華東理工大學(xué)等諸多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在涉足腦-機(jī)接口的研究，并且成果頗豐。我國(guó)在腦機(jī)接口研究領(lǐng)域發(fā)表的論文數(shù)量?jī)H次于美國(guó)，排名第二。全球該領(lǐng)域25篇高引論文中有9篇文章來(lái)自中國(guó)。在腦機(jī)接口的應(yīng)用方面，華南理工大學(xué)在100余例嚴(yán)重癱瘓病人上進(jìn)行了臨床試用，天津大學(xué)在天宮二號(hào)上成功實(shí)現(xiàn)了人類(lèi)首次太空腦-機(jī)接口實(shí)驗(yàn)。
來(lái)源：北京日?qǐng)?bào)客戶(hù)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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