在天津大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里，實(shí)驗(yàn)員用“意念”進(jìn)行“隔空打字”。 記者宋瑞攝
在天津大學(xué)某實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，一塊布滿字符和符號(hào)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(wú)需雙手操作的情況下，通過(guò)“意念”“隔空打字”，將字符輸入指定區(qū)域。
實(shí)驗(yàn)室外，“隔空打字”的速度角逐，已在賽場(chǎng)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(shí)驗(yàn)室研究生魏斯文，在2019世界機(jī)器人大會(huì)的“BCI腦控機(jī)器人大賽暨第三屆中國(guó)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(gè)漢字，已超過(guò)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(yù)為人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是在人腦和計(jì)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(guò)神經(jīng)外周組織或者肌肉組織表達(dá)出來(lái)”，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(shuō)，“腦-機(jī)接口技術(shù)則是繞過(guò)這樣的正常通路，在大腦和計(jì)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(lái)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(gè)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(yùn)動(dòng)。
“2年前，我在手術(shù)過(guò)程中心臟主動(dòng)脈血管夾層破裂，導(dǎo)致腦梗，手腕、腳踝關(guān)節(jié)都無(wú)法正常活動(dòng)。”王楊回憶。
“后來(lái)，了解到天津醫(yī)院運(yùn)用腦-機(jī)接口技術(shù)幫助患者康復(fù)，我就報(bào)名來(lái)參加。每周來(lái)醫(yī)院3次，每次進(jìn)行1小時(shí)的康復(fù)訓(xùn)練”，王楊很慶幸，“現(xiàn)在我上下肢都有改善，對(duì)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(shí)驗(yàn)中”，天津醫(yī)院康復(fù)科主治醫(yī)師李奇說(shuō)，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(dòng)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。”李奇補(bǔ)充。
利用腦-機(jī)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)療康復(fù)，正在改變?nèi)藗兊纳睢?/p>
時(shí)光倒回至1924年，德國(guó)精神科醫(yī)生漢斯·貝格爾發(fā)現(xiàn)了腦電波——人的意識(shí)可以轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)被讀取。此后，腦-機(jī)接口技術(shù)研究開(kāi)始出現(xiàn)，但直到20世紀(jì)70年代，這項(xiàng)技術(shù)才真正開(kāi)始成形。
1969年，研究員埃伯哈德·費(fèi)茲將猴子大腦中的一個(gè)神經(jīng)元，連接到儀表盤。當(dāng)神經(jīng)元被觸發(fā)時(shí)，儀表盤的指針會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)中，如果猴子通過(guò)某種思考方式觸發(fā)該神經(jīng)元，并讓儀表盤指針轉(zhuǎn)動(dòng)，它就能得到一顆香蕉味的丸子作為獎(jiǎng)勵(lì)。
漸漸地，猴子為了吃到丸子，越來(lái)越擅長(zhǎng)這個(gè)游戲，它學(xué)會(huì)了控制神經(jīng)元的觸發(fā)。偶然中，猴子成為首個(gè)真正的腦-機(jī)接口被試對(duì)象。
1978年，視覺(jué)腦-機(jī)接口方面的先驅(qū)William Dobelle，在一位男性盲人的視覺(jué)皮層植入了68個(gè)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(gè)采集視頻的攝像機(jī)，信號(hào)處理裝置和受驅(qū)動(dòng)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(diǎn)陣圖像。
20世紀(jì)90年代末，腦-機(jī)接口技術(shù)迎來(lái)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(dòng)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(kāi)幕式上，一名腰部以下完全癱瘓的少年，通過(guò)腦-機(jī)接口技術(shù)控制下肢外骨骼，完成了開(kāi)球表演，一時(shí)轟動(dòng)全世界，這得益于長(zhǎng)期的虛擬訓(xùn)練與外骨骼技術(shù)的發(fā)展。
在國(guó)內(nèi)，天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)，2014年研制成功首臺(tái)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(hào)”。
融合了運(yùn)動(dòng)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(guò)模擬解碼患者的運(yùn)動(dòng)康復(fù)意念信息，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)多級(jí)神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)動(dòng)作。
“在運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練的同時(shí)，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。”團(tuán)隊(duì)科研人員介紹。
“神工一號(hào)”在2014年問(wèn)世后，連續(xù)迭代發(fā)展，如今研發(fā)出“神工三號(hào)”，技術(shù)逐步成熟，工藝日臻完善。
目前，這項(xiàng)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(yàn)，為上千名患者帶來(lái)新的治療手段。
展望“神工”系列的未來(lái)，“我們目標(biāo)是將‘神工’設(shè)計(jì)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(dòng)作，還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)他們的大腦激活狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整康復(fù)訓(xùn)練模式。”
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?yuàn)蕵?lè)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(guó)已經(jīng)開(kāi)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(lái)武器裝備也許將實(shí)現(xiàn)“隨心所動(dòng)”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(duì)教育產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)了“Focus”系列頭環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人的注意力監(jiān)測(cè)。
“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。”來(lái)自美國(guó)硅谷的教育機(jī)器人公司蘿卜太辣創(chuàng)始人兼CEO張堯說(shuō)。
該技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了用“思想”控制電子游戲，增加了電子游戲新的娛樂(lè)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(lè)效應(yīng)。
此外，佛羅里達(dá)大學(xué)開(kāi)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(jìng)技行業(yè)等。
在科學(xué)研究領(lǐng)域，世界各國(guó)都加大了對(duì)腦-機(jī)接口技術(shù)的研究。
近十年里，美國(guó)在腦-機(jī)接口領(lǐng)域發(fā)表的論文總數(shù)排名第一，我國(guó)位于第二位。
“腦語(yǔ)者”芯片取得突破
2019年，天津大學(xué)和中國(guó)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(yǔ)者”——擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)芯片。
“‘腦語(yǔ)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(hào)處理等領(lǐng)域。”研究人員介紹。
“這款芯片能識(shí)別出頭皮腦電中極微弱的神經(jīng)信息，高效計(jì)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(yǔ)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(jiǎn)單易用化開(kāi)辟道路。”這位負(fù)責(zé)人說(shuō)。
據(jù)了解，“腦語(yǔ)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(shí)現(xiàn)了快通訊、精識(shí)別、高指令等目標(biāo)。”研究人員對(duì)記者說(shuō)。
針對(duì)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(kāi)發(fā)平臺(tái)。”
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(gè)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(guò)渡”，這位專家介紹，目前還存在四點(diǎn)技術(shù)瓶頸：傳感精度低、集成計(jì)算效率差、編解碼能力弱、互適應(yīng)手段缺。
面對(duì)這些問(wèn)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(shí)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(cè)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(shuō)，需要加強(qiáng)對(duì)腦-機(jī)接口專用計(jì)算芯片的研發(fā)投入，實(shí)現(xiàn)高集成度、便攜化、簡(jiǎn)易化的腦-機(jī)接口系統(tǒng)。
穿上安全“防護(hù)服”
未來(lái)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(shí)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(shí)代新生活。”天津大學(xué)的專家說(shuō)。
然而在腦-機(jī)深度交互下，一些對(duì)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(huì)由于植入電極造成腦部傷害?
“腦控”期間，是否會(huì)因?yàn)樾畔?dǎo)入或者輸出錯(cuò)誤，給腦部帶來(lái)傷害?
對(duì)于“非侵入式”腦-機(jī)接口技術(shù)，腦電波收集信息的無(wú)序管理和泛濫使用，是否涉及對(duì)個(gè)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(xiàng)技術(shù)的使用必須是對(duì)人是有利的，不允許對(duì)他人、社會(huì)造成傷害”。
另外，在使用過(guò)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(guò)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(shí)終止治療。
“應(yīng)明確限定’讀腦‘的內(nèi)容、時(shí)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(shí)間、內(nèi)容、方法需有嚴(yán)格限制。”專家補(bǔ)充。
