“意念”打字成現(xiàn)實(shí),“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(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(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(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)都無法正?;顒?dòng)?!蓖鯒罨貞?。
“后來,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)名來參加。每周來醫(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,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)研究開始出現(xiàn),但直到20世紀(jì)70年代,這項(xiàng)技術(shù)才真正開始成形。
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(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(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(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?!?/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?yuàn)蕵钒鎵K,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(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?!眮碜悦绹?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。
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(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“腦語者”——擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)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(hào)處理等領(lǐng)域?!毖芯咳藛T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)單易用化開辟道路?!边@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(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。
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)接口開發(fā)平臺(tái)?!?/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(gè)發(fā)展階段?!爱?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(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)?!碧旖虼髮W(xué)的專家介紹。
他補(bǔ)充說,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。
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(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?!碧旖虼髮W(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。(記者翟永冠、宋瑞)
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