“意念”打字成現(xiàn)實，“腦語者”芯片獲突破

　　腦-機(jī)接口技術(shù)已廣泛應(yīng)用，但仍存在技術(shù)瓶頸和隱憂

　　在天津大學(xué)的實驗室里,，實驗員用“意念”進(jìn)行“隔空打字”。 記者宋瑞攝

　　在天津大學(xué)某實驗室內(nèi),，一塊布滿字符和符號的屏幕上,，黑色方塊頻繁閃爍。一名男生佩戴著布滿靈敏電極的黑色腦電極帽,，緊盯屏幕,，在無需雙手操作的情況下，通過“意念”“隔空打字”,，將字符輸入指定區(qū)域,。

　　實驗室外，“隔空打字”的速度角逐,，已在賽場上演,。2019年8月，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院神經(jīng)工程與康復(fù)實驗室研究生魏斯文,，在2019世界機(jī)器人大會的“BCI腦控機(jī)器人大賽暨第三屆中國腦機(jī)接口比賽”中,，以最高每分鐘691比特的腦控打字解碼速度，奪得桂冠,。

　　普通人用手在觸屏手機(jī)上打字的速度,，約為每分鐘600比特,。魏斯文在不用手、不用鍵盤的情況下,，用“意念”每分鐘解碼輸出69個漢字,，已超過普通人用觸屏手機(jī)打字的速度。

　　“意念”打字,，利用的正是腦-機(jī)接口技術(shù)（brain-computer interface,，BCI）。

　　腦-機(jī)接口技術(shù)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(jī)或其他電子設(shè)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(shù)。

　　“我們大腦的想法,，通常是通過神經(jīng)外周組織或者肌肉組織表達(dá)出來”,，天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院副教授許敏鵬說，“腦-機(jī)接口技術(shù)則是繞過這樣的正常通路,，在大腦和計算機(jī)之間直接建立聯(lián)系”,。

　　目前,，腦-機(jī)接口技術(shù)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療康復(fù),、軍事、航天等領(lǐng)域,。隨著技術(shù)發(fā)展,，腦-機(jī)交互將是未來人機(jī)通信交互的最高形態(tài),。

　　讓康復(fù)醫(yī)療“插上翅膀”

　　在天津醫(yī)院康復(fù)科的治療室里，47歲的患者王楊佩戴好腦-機(jī)接口設(shè)備后,，根據(jù)電腦提示,，進(jìn)行手腕功能康復(fù)訓(xùn)練。

　　經(jīng)歷3個多月的治療,，他已經(jīng)能自行進(jìn)行腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn),、踝關(guān)節(jié)背曲等運動。

　　“2年前,，我在手術(shù)過程中心臟主動脈血管夾層破裂,，導(dǎo)致腦梗，手腕,、腳踝關(guān)節(jié)都無法正?；顒印,！蓖鯒罨貞?。

　　“后來，了解到天津醫(yī)院運用腦-機(jī)接口技術(shù)幫助患者康復(fù),，我就報名來參加,。每周來醫(yī)院3次,，每次進(jìn)行1小時的康復(fù)訓(xùn)練”，王楊很慶幸,，“現(xiàn)在我上下肢都有改善,，對身體恢復(fù)很有信心”。

　　“自今年7月起,，我們正式將腦-機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用于腦卒中患者的康復(fù)治療臨床實驗中”,，天津醫(yī)院康復(fù)科主治醫(yī)師李奇說，醫(yī)院接收了21例患者,，治療效果都有明顯提升,。

　　“這種治療方式不僅能提高患者的主動性，還可在患者受損的中樞神經(jīng)中形成反饋,，刺激腦的重塑或代償,，從而提高康復(fù)療效?！崩钇嫜a(bǔ)充,。

　　利用腦-機(jī)接口技術(shù)實現(xiàn)醫(yī)療康復(fù)，正在改變?nèi)藗兊纳睢?/p>

　　時光倒回至1924年,，德國精神科醫(yī)生漢斯·貝格爾發(fā)現(xiàn)了腦電波——人的意識可以轉(zhuǎn)化成電子信號被讀取,。此后，腦-機(jī)接口技術(shù)研究開始出現(xiàn),，但直到20世紀(jì)70年代，這項技術(shù)才真正開始成形,。

　　1969年,，研究員埃伯哈德·費茲將猴子大腦中的一個神經(jīng)元，連接到儀表盤,。當(dāng)神經(jīng)元被觸發(fā)時,，儀表盤的指針會轉(zhuǎn)動。

　　實驗中,，如果猴子通過某種思考方式觸發(fā)該神經(jīng)元,，并讓儀表盤指針轉(zhuǎn)動，它就能得到一顆香蕉味的丸子作為獎勵,。

　　漸漸地,，猴子為了吃到丸子，越來越擅長這個游戲,，它學(xué)會了控制神經(jīng)元的觸發(fā),。偶然中，猴子成為首個真正的腦-機(jī)接口被試對象,。

　　1978年,，視覺腦-機(jī)接口方面的先驅(qū)William Dobelle,，在一位男性盲人的視覺皮層植入了68個電極的陣列，成功制造了光幻視,。

　　該腦-機(jī)接口系統(tǒng)包括一個采集視頻的攝像機(jī),，信號處理裝置和受驅(qū)動的皮層刺激電極。植入后,，病人可以在有限的視野內(nèi),，看到灰度調(diào)制的低分辨率、低刷新率點陣圖像,。

　　20世紀(jì)90年代末,，腦-機(jī)接口技術(shù)迎來了發(fā)展高潮，應(yīng)用成果快速拓展,，在眾多領(lǐng)域顯示出廣闊前景,。

　　其中，在神經(jīng)康復(fù)或輔助醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,，腦-機(jī)接口技術(shù)在腦部外傷,、肢體殘疾、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等患者的康復(fù)和功能重建中,，發(fā)揮著重要作用,。

　　奧地利格拉茨科技大學(xué)應(yīng)用腦-機(jī)接口控制電刺激，幫助手部癱瘓病人完成了抓杯,、舉杯,、倒水入口這一系列動作，被認(rèn)為是腦-機(jī)接口應(yīng)用于助殘事業(yè)的里程碑事件,。

　　2014年巴西世界杯足球賽開幕式上,，一名腰部以下完全癱瘓的少年，通過腦-機(jī)接口技術(shù)控制下肢外骨骼,，完成了開球表演,，一時轟動全世界，這得益于長期的虛擬訓(xùn)練與外骨骼技術(shù)的發(fā)展,。

　　在國內(nèi),，天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊，2014年研制成功首臺適用于全肢體中風(fēng)康復(fù)的人工神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)——“神工一號”,。

　　融合了運動想象腦-機(jī)接口技術(shù)和物理訓(xùn)練康復(fù)療法,，該系統(tǒng)在中風(fēng)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(fù)意念信息,，進(jìn)而驅(qū)動多級神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)，產(chǎn)生對應(yīng)動作,。

　　“在運動康復(fù)訓(xùn)練的同時,，這一系統(tǒng)能促進(jìn)患者受損腦區(qū)功能恢復(fù),、修復(fù)和重建體內(nèi)神經(jīng)通路的可塑性?！眻F(tuán)隊科研人員介紹,。

　　“神工一號”在2014年問世后，連續(xù)迭代發(fā)展,，如今研發(fā)出“神工三號”,，技術(shù)逐步成熟，工藝日臻完善,。

　　目前,，這項技術(shù)已經(jīng)在天津、山東多地三甲醫(yī)院進(jìn)行臨床試驗,，為上千名患者帶來新的治療手段,。

　　展望“神工”系列的未來，“我們目標(biāo)是將‘神工’設(shè)計成體積更小的可穿戴便攜設(shè)備”,，研究人員介紹,，“這樣，不僅能輔助病人完成更多復(fù)雜而精細(xì)的肢體動作,，還可以實時監(jiān)測他們的大腦激活狀態(tài),，及時調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練模式?！?/p>

　　多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用

　　除醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域外,，大到軍事、航天領(lǐng)域,，小到生活娛樂版塊,，腦-機(jī)接口技術(shù)已在多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

　　在軍事領(lǐng)域,，多國已經(jīng)開始涉足研制腦控武器原型裝備，即讓武器裝備按照人的大腦意念思維執(zhí)行操作,。

　　腦控戰(zhàn)斗機(jī),、腦控裝甲車……未來武器裝備也許將實現(xiàn)“隨心所動”的智能化操作，做到感知即決策,、決策即打擊,，極大提升裝備的打擊效能。這或許將引發(fā)武器裝備操控模式革命,。

　　不僅如此,，腦-機(jī)接口技術(shù)還有潛力應(yīng)用在教育、游戲,、智能通訊等領(lǐng)域,。BrainCo公司針對教育產(chǎn)業(yè)開發(fā)了“Focus”系列頭環(huán),，可以實現(xiàn)對人的注意力監(jiān)測。

　　“腦-機(jī)接口技術(shù)可以幫助學(xué)生,，提高學(xué)習(xí)效率,、提升注意力?！眮碜悦绹韫鹊慕逃龣C(jī)器人公司蘿卜太辣創(chuàng)始人兼CEO張堯說,。

　　該技術(shù)還實現(xiàn)了用“思想”控制電子游戲，增加了電子游戲新的娛樂功能,。相比傳統(tǒng)鼠標(biāo),、鍵盤控制的電子游戲，顯著增加了游戲的娛樂效應(yīng),。

　　此外,，佛羅里達(dá)大學(xué)開展的腦控?zé)o人機(jī)相關(guān)技術(shù)，也逐漸應(yīng)用于電子競技行業(yè)等,。

　　在科學(xué)研究領(lǐng)域,，世界各國都加大了對腦-機(jī)接口技術(shù)的研究。

　　近十年里,，美國在腦-機(jī)接口領(lǐng)域發(fā)表的論文總數(shù)排名第一,，我國位于第二位。

　　“腦語者”芯片取得突破

　　2019年,，天津大學(xué)和中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)合作研發(fā)了一款高集成腦-機(jī)交互芯片“腦語者”——擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)芯片,。

　　“‘腦語者’可應(yīng)用于特種醫(yī)學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué),、腦認(rèn)知,、神經(jīng)反饋、信號處理等領(lǐng)域,?！毖芯咳藛T介紹。

　　“這款芯片能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”,，天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，“這將極大提升大腦與機(jī)器之間的通訊效率,，滿足日常交流需求,，讓腦-機(jī)交互設(shè)備真正成為使用者的‘第三只手’”。

　　“‘腦語者’有望為腦-機(jī)交互技術(shù)走向民用化,、便攜化,、可穿戴化及簡單易用化開辟道路。”這位負(fù)責(zé)人說,。

　　據(jù)了解,，“腦語者”芯片采用了一套高度集成的腦-機(jī)交互芯片架構(gòu)，支持多通道神經(jīng)信息采集,、處理和交互,。

　　“這款芯片實現(xiàn)了快通訊、精識別,、高指令等目標(biāo),。”研究人員對記者說,。

　　針對腦-機(jī)交互的特殊需求,，“這款芯片也提供腦電編碼接口、采集傳輸接口,、解碼專速器等訂制化模塊”,，研究人員介紹，“這就形成了一套完整的嵌入式腦-機(jī)接口開發(fā)平臺,?！?/p>

　　目前還存技術(shù)瓶頸

　　專家表示，腦-機(jī)接口技術(shù)將經(jīng)歷腦-機(jī)接口,、腦-機(jī)交互和腦-機(jī)融合這三個發(fā)展階段,。“當(dāng)前,，腦-機(jī)接口技術(shù)正由第一階段向第二階段發(fā)展過渡”,，這位專家介紹，目前還存在四點技術(shù)瓶頸：傳感精度低,、集成計算效率差,、編解碼能力弱、互適應(yīng)手段缺,。

　　面對這些問題,，天津大學(xué)的專家介紹，要在基礎(chǔ)原理與關(guān)鍵技術(shù),、系統(tǒng)集成與重大應(yīng)用等方面實現(xiàn)突破,。

　　具體而言，要促進(jìn)腦-機(jī)傳感,、腦-機(jī)編解碼、腦-機(jī)互適應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)的理論創(chuàng)新與技術(shù)突破,。

　　“要發(fā)展更穩(wěn)定更便攜的檢測電極,，更高精度的傳感方式，還需要發(fā)展更深層次、更全方位,、更高精度的讀腦技術(shù),。”天津大學(xué)的專家介紹,。

　　他補(bǔ)充說,，需要加強(qiáng)對腦-機(jī)接口專用計算芯片的研發(fā)投入，實現(xiàn)高集成度,、便攜化,、簡易化的腦-機(jī)接口系統(tǒng)。

　　穿上安全“防護(hù)服”

　　未來腦-機(jī)接口技術(shù),，將從目前腦-機(jī)單向接口,，進(jìn)化為腦-機(jī)雙向“交互”，最終實現(xiàn)腦-機(jī)完全智能“融合”,。

　　在此基礎(chǔ)上,，將發(fā)展出更先進(jìn)的人-機(jī)混合智能技術(shù)，并組建由人腦與人腦及與智能機(jī)器之間,，交互連接構(gòu)成的新型人機(jī)智能網(wǎng)絡(luò),。

　　“這將徹底改變現(xiàn)有人類與智能機(jī)器之間的關(guān)系，為人類創(chuàng)造出前所未有的智能時代新生活,?！碧旖虼髮W(xué)的專家說。

　　然而在腦-機(jī)深度交互下,，一些對于技術(shù)發(fā)展的擔(dān)憂也在慢慢出現(xiàn),。

　　“侵入式”腦-機(jī)接口技術(shù)，是否會由于植入電極造成腦部傷害,？

　　“腦控”期間,，是否會因為信息導(dǎo)入或者輸出錯誤，給腦部帶來傷害,？

　　對于“非侵入式”腦-機(jī)接口技術(shù),，腦電波收集信息的無序管理和泛濫使用，是否涉及對個人隱私的侵犯,？

　　“使用腦-機(jī)接口技術(shù)應(yīng)首先遵循知情同意原則”,，專家建議，“這項技術(shù)的使用必須是對人是有利的,，不允許對他人,、社會造成傷害”。

　　另外,，在使用過程中還要遵循自主性原則,。

　　以腦-機(jī)技術(shù)應(yīng)用于治療為例,，在任何治療過程中均應(yīng)尊重患者的自主性，由患者決定是否治療,、采取何種治療措施以及何時終止治療,。

　　“應(yīng)明確限定’讀腦‘的內(nèi)容、時間,，且’讀腦‘必須是以治療為目的,。”天津大學(xué)的專家告訴記者,。

　　“控腦”是為恢復(fù)大腦的功能,、刺激大腦的發(fā)育而采取的治療措施，“只允許‘控腦’用于明確的臨床用途,，且治療時間,、內(nèi)容、方法需有嚴(yán)格限制,?！睂＜已a(bǔ)充。（記者翟永冠,、宋瑞）