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美國(guó)研究人員近日宣布，已研制出一種可由大腦控制的機(jī)械手，這種機(jī)械手能幫助人準(zhǔn)確且自然地執(zhí)行動(dòng)作。長(zhǎng)期癱瘓的人可以通過(guò)手部定位、導(dǎo)向以及接觸，部分恢復(fù)自然的指令信號(hào)，進(jìn)行一些接近正常人的活動(dòng)。將人腦與機(jī)器“結(jié)合”，這項(xiàng)曾經(jīng)看似遙不可及的技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始變成現(xiàn)實(shí)。在未來(lái)，“腦機(jī)接口”技術(shù)將會(huì)有哪些新突破？在應(yīng)用領(lǐng)域，又將會(huì)有哪些我們意想不到的用途？我們特邀專家進(jìn)行解答。
“腦控手”：
癱瘓者可用意念控制假肢
一直以來(lái)，研究者對(duì)于人腦與計(jì)算機(jī)結(jié)合的技術(shù)很感興趣。而發(fā)表于醫(yī)學(xué)雜志《柳葉刀》的這項(xiàng)最新研究結(jié)果，就是把獲取的大腦神經(jīng)細(xì)胞的放電信號(hào)變成了計(jì)算機(jī)編碼，從而可以準(zhǔn)確控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。
神經(jīng)生理學(xué)家和生物醫(yī)學(xué)工程師們認(rèn)為，這種由腦控制的假肢是該領(lǐng)域的一個(gè)新突破。
方法：運(yùn)用基于模型的算法
研究小組成員、賓夕法尼亞州匹茲堡大學(xué)教授安德魯·施瓦茨說(shuō)，這項(xiàng)研究最大的挑戰(zhàn)一直是如何把人腦信號(hào)準(zhǔn)確轉(zhuǎn)錄為計(jì)算機(jī)編碼。
不少做到這一點(diǎn)的腦控假肢所用算法是一個(gè)復(fù)雜的“圖書館”，內(nèi)容為人腦信號(hào)與計(jì)算機(jī)編碼的連接關(guān)系。通過(guò)這種算法，很多大腦控制的假肢已經(jīng)可以達(dá)到這樣的效果。
但這次研究者們采用的是完全不一樣的方法，他們通過(guò)運(yùn)用一種基于模型的算法，可以準(zhǔn)確地模仿未受損害的大腦控制肢體的運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這個(gè)機(jī)械手可以比之前的任何腦控假肢運(yùn)動(dòng)得更精準(zhǔn)、自然。
實(shí)驗(yàn)：完成任務(wù)成功率高達(dá)91.6%
該研究小組將兩個(gè)微電極植入一個(gè)52歲的婦女大腦運(yùn)動(dòng)皮層。
這位女性志愿者由于脊髓小腦退化導(dǎo)致左半身從頸部開(kāi)始癱瘓，無(wú)法移動(dòng)自己的手部和腳部。動(dòng)完手術(shù)兩周后，該婦女裝上了假肢并且進(jìn)行了為期14周的訓(xùn)練。第二天后，她便可以通過(guò)腦控來(lái)移動(dòng)假肢。
該訓(xùn)練主要針對(duì)9種技能，例如抓和移動(dòng)小物體、堆疊椎體等等。最后，她完成任務(wù)的成功率高達(dá)91.6%，而且每項(xiàng)動(dòng)作比實(shí)驗(yàn)之初平均快了30秒。
計(jì)劃：讓機(jī)械假肢具備感知功能
研究者表示，下一步工作是讓合并了感受器的機(jī)器假肢告訴病人物體表面是冷、熱、粗糙或是光滑，并且用Wi-fi技術(shù)取代電線將病人的腦和假肢聯(lián)系起來(lái)。
早在2011年10月，北卡羅來(lái)納州杜克大學(xué)的一個(gè)研究小組稱，他們將電極植入猴子大腦，可以讓該動(dòng)物感受到虛擬物體的質(zhì)感。最近，在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目署(DARPA)資助下，研究人員正在研發(fā)潛在的可以用于軍事的相關(guān)技術(shù)，包括供退伍老兵使用的腦機(jī)接口技術(shù)。
“腦機(jī)接口技術(shù)”：
你想做什么 電腦都知道
侵入式VS非侵入式
華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)、華南理工大學(xué)腦機(jī)接口與腦信息處理研究中心主任李遠(yuǎn)清教授向本報(bào)記者介紹說(shuō)，將人腦與機(jī)器“結(jié)合”，就是專業(yè)人士所稱的腦機(jī)接口技術(shù)。該技術(shù)涉及腦科學(xué)、神經(jīng)工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制科學(xué)、信號(hào)處理等多個(gè)學(xué)科，多次被評(píng)為世界十大科技進(jìn)展。
“依據(jù)信號(hào)獲取的方式，腦機(jī)接口可以分為兩大類。一類是侵入式腦機(jī)接口，就是將微電極植入人或者猴子等動(dòng)物的大腦皮層，提取腦信號(hào)并輸入計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理，得到反映用戶意圖的控制命令，來(lái)控制機(jī)械臂等外部設(shè)備。”李教授表示。
像“腦控手”就是一種侵入式腦機(jī)接口。這種腦機(jī)接口的優(yōu)點(diǎn)是提取的信號(hào)質(zhì)量高，能完成對(duì)一些復(fù)雜外部設(shè)備（如假肢）的操控，缺點(diǎn)也很明顯，就是對(duì)大腦有傷害。“病人能否長(zhǎng)期植入這種微電極，保證其性能長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全，這些都是沒(méi)有解決的難題。”他說(shuō)。
此外，另一種方式是非侵入式的腦機(jī)接口，目前最普遍用的是腦電，腦電是通過(guò)頭皮電極提取的電信號(hào)。這種腦機(jī)接口的突出優(yōu)點(diǎn)是對(duì)大腦沒(méi)有傷害，方法簡(jiǎn)單，設(shè)備相對(duì)便宜，但缺點(diǎn)是提取的信號(hào)質(zhì)量相對(duì)較差，難以操控復(fù)雜對(duì)象。
如何提取“腦信號(hào)”是關(guān)鍵
人腦與機(jī)器，原本毫無(wú)關(guān)聯(lián)，為何能互通信息？李教授解釋說(shuō)，人腦和機(jī)器的結(jié)合，主要是通過(guò)一個(gè)橋梁，就是腦信號(hào)。腦信號(hào)首先通過(guò)腦電圖、植入電極、光學(xué)成像、腦磁圖等設(shè)備獲取，然后通過(guò)有線或無(wú)線的方式輸入電腦，電腦對(duì)這些信號(hào)實(shí)時(shí)處理，提取反映用戶意圖的信息，并將這些信息變成對(duì)外部設(shè)備的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)腦機(jī)結(jié)合。“這項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用前景是對(duì)殘疾人的神經(jīng)功能進(jìn)行輔助及促使其康復(fù)。就目前來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)還處在實(shí)驗(yàn)室研究和應(yīng)用的交叉地帶，要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還需要解決設(shè)備成本過(guò)高、使用不太便利、性能（如準(zhǔn)確率、反應(yīng)速度、穩(wěn)定性等）進(jìn)一步提高等問(wèn)題。”
關(guān)于“腦機(jī)結(jié)合”，有些技術(shù)目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，除了“腦控手”，還有基于腦電的文字輸入、家電遙控、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、電話撥號(hào)、虛擬車或輪椅操控、基于植入電極的對(duì)老鼠和壁虎等動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)控制、猴子用腦操作機(jī)械臂等。
腦控輪椅不久將推向市場(chǎng)
坐上一臺(tái)輪椅，只需想一想怎么走，就能怎么走？無(wú)論前后左右，或者加速減速都沒(méi)問(wèn)題？這不是幻想，而是用腦電波控制的輪椅的神奇之處。
李教授告訴記者，在國(guó)內(nèi)也有不少關(guān)于“腦機(jī)結(jié)合”的科研成果。華南理工大學(xué)腦機(jī)接口與腦信息處理研究中心研發(fā)了一款多模態(tài)腦控輪椅，可以實(shí)現(xiàn)大腦對(duì)輪椅的方向、速度、停止啟動(dòng)等多種功能的控制。其關(guān)鍵技術(shù)是多模態(tài)腦機(jī)接口技術(shù)，具體來(lái)講，就是結(jié)合腦電中的視覺(jué)誘發(fā)電位和與運(yùn)動(dòng)想象相關(guān)的同步與解同步模式，實(shí)現(xiàn)多自由度控制。這些相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)獲得三項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。除“腦控輪椅”外，該研究中心還建立了其他腦機(jī)接口系統(tǒng)，包括家電集成控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)瀏覽與郵件收發(fā)系統(tǒng)等等。
“這類腦機(jī)接口系統(tǒng)與‘腦控手’不同，是基于腦電的、非植入式的，對(duì)大腦沒(méi)有傷害。但不足的地方是，不易完成對(duì)復(fù)雜對(duì)象（例如假肢）的操作。”他說(shuō)。
這種腦控輪椅，經(jīng)歷了兩年多的研究，仍處于實(shí)驗(yàn)室階段。他們計(jì)劃在接下來(lái)的時(shí)間里能尋找到更低廉的信號(hào)獲取設(shè)備，以降低成本，同時(shí)還將進(jìn)一步完善該系統(tǒng)，讓輪椅反應(yīng)更精準(zhǔn)、快速。待這款新型輪椅的性能穩(wěn)定后，很可能會(huì)推向市場(chǎng)。這款輪椅的市場(chǎng)化將會(huì)給殘疾人帶來(lái)福音，使用者僅須通過(guò)執(zhí)行一定的意識(shí)任務(wù)與接受車載電腦的視覺(jué)刺激就可以控制輪椅的行駛。該輪椅的造價(jià)目前要20萬(wàn)元左右。“就技術(shù)而言，由于我們實(shí)現(xiàn)了多功能控制，應(yīng)該說(shuō)是處于國(guó)際先進(jìn)水平的。”李教授說(shuō)。
未來(lái)或能用“思維”執(zhí)行任務(wù)
“從應(yīng)用的角度，我個(gè)人看好非嵌入式腦機(jī)接口系統(tǒng)，主要是因?yàn)檫@類系統(tǒng)對(duì)大腦沒(méi)有傷害。而其性能的提高、設(shè)備成本的降低以及設(shè)備的方便實(shí)用等則可以隨著技術(shù)的進(jìn)步逐漸解決。”李教授說(shuō)。
那么，在未來(lái)，人類最終是否能夠?qū)崿F(xiàn)電影《阿凡達(dá)》中描述的那樣，直接通過(guò)大腦控制外部設(shè)備，按自己的思維來(lái)執(zhí)行很多復(fù)雜任務(wù)？
李教授認(rèn)為的確有可能。他表示，在未來(lái)，“腦機(jī)結(jié)合”技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，可能體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
一是雙向腦機(jī)交互。過(guò)去的腦機(jī)接口系統(tǒng)主要是從腦到機(jī)，也有一些從機(jī)到腦的，但真正意義上的雙向腦機(jī)接口還不多見(jiàn)。
二是用于腦機(jī)接口的腦信號(hào)獲取技術(shù)的進(jìn)步。腦機(jī)接口最終走向應(yīng)用，很大程度上取決于信號(hào)獲取設(shè)備。對(duì)侵入式腦機(jī)接口，微電極要安全，且性能穩(wěn)定。對(duì)非侵入式腦機(jī)接口，信號(hào)設(shè)備要便宜，性能好且方便實(shí)用。
三是在應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化方面將更加廣泛。目前，研究人員已經(jīng)在殘疾人，如中風(fēng)病人的運(yùn)動(dòng)功能輔助、小兒多動(dòng)癥治療等方面開(kāi)展探索性研究，并取得了初步成效。除此之外，腦機(jī)接口也可能在軍事領(lǐng)域產(chǎn)生應(yīng)用。
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