在天津大學(xué)的實驗室里，實驗員用“意念”進行“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世界機器人大會的“BCI腦控機器人大賽暨第三屆中國腦機接口比賽”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打字的速度。
“意念”打字，利用的正是腦-機接口技術(shù)(brain-computer interface，BCI)。
腦-機接口技術(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-機接口技術(shù)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”。
目前，腦-機接口技術(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-機交互將是未來人機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-機接口設(shè)備后，根據(jù)電腦提示，進行手腕功能康復(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)都無法正常活動。”王楊回憶。
“后來，了解到天津醫(yī)院運用腦-機接口技術(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。”李奇補充。
利用腦-機接口技術(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-機接口被試對象。
1978年，視覺腦-機接口方面的先驅(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-機接口系統(tǒng)包括一個采集視頻的攝像機，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)機器人系統(tǒng)——“神工一號”。
融合了運動想象腦-機接口技術(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。”
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、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。”來自美國硅谷的教育機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-機接口技術(shù)的研究。
近十年里，美國在腦-機接口領(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)集團合作研發(fā)了一款高集成腦-機交互芯片“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。”研究人員介紹。
“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器之間的通訊效率，滿足日常交流需求，讓腦-機交互設(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-機接口開發(fā)平臺。”
目前還存技術(shù)瓶頸
專家表示，腦-機接口技術(shù)將經(jīng)歷腦-機接口、腦-機交互和腦-機融合這三個發(fā)展階段。“當(dāng)前，腦-機接口技術(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，要促進腦-機傳感、腦-機編解碼、腦-機互適應(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。
他補充說，需要加強對腦-機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-機接口系統(tǒng)。
穿上安全“防護服”
未來腦-機接口技術(shù)，將從目前腦-機單向接口，進化為腦-機雙向“交互”，最終實現(xiàn)腦-機完全智能“融合”。
在此基礎(chǔ)上，將發(fā)展出更先進的人-機混合智能技術(shù)，并組建由人腦與人腦及與智能機器之間，交互連接構(gòu)成的新型人機智能網(wǎng)絡(luò)。
“這將徹底改變現(xiàn)有人類與智能機器之間的關(guān)系，為人類創(chuàng)造出前所未有的智能時代新生活。”天津大學(xué)的專家說。
然而在腦-機深度交互下，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。”專家補充。
