關(guān)于腦機(jī)接口系統(tǒng)的簡單介紹

在科幻電影中，經(jīng)常有這樣的場(chǎng)景——?dú)埣踩丝梢杂?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械臂自如地彈唱，失語者可以重新“開口說話”，失聰者能再次聽到聲音，人類依靠“意念”指揮著龐大的機(jī)械……其實(shí)，這些神奇的場(chǎng)景并不僅僅是科幻想象，現(xiàn)實(shí)中，不斷發(fā)展的“腦機(jī)接口技術(shù)”正是要在將來讓這些變成現(xiàn)實(shí)。

人腦思維的擴(kuò)展

腦機(jī)接口，顧名思義，就是大腦和計(jì)算機(jī)之間的接口，指大腦與計(jì)算機(jī)的直接連接。一方面大腦要發(fā)出指令實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制；另一方面外部設(shè)備也要不斷地給大腦發(fā)送各種各樣的反饋信息，讓大腦及時(shí)調(diào)整控制策略，維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一個(gè)典型的腦機(jī)接口系統(tǒng)包括三個(gè)部分：信號(hào)采集、信號(hào)分析和設(shè)備控制。腦機(jī)接口系統(tǒng)可以根據(jù)腦信號(hào)采集的方式，分為侵入式和非侵入式腦機(jī)接口；也可以根據(jù)腦機(jī)接口范式/感覺刺激/采用的信號(hào)進(jìn)行分類，可分為單一范式/單一感覺刺激/單一腦信號(hào)的腦機(jī)接口和混合腦機(jī)接口。

腦機(jī)接口的發(fā)展源于人類擴(kuò)展大腦智能的渴望。在可預(yù)見的將來，人類智能將與機(jī)器智能協(xié)同工作。機(jī)器的存儲(chǔ)和運(yùn)算能力，配合人腦的思維與創(chuàng)新能力，將以腦機(jī)協(xié)同的形式開創(chuàng)一個(gè)新的未來。

1924年，德國醫(yī)生漢斯·貝格爾首次發(fā)現(xiàn)并無創(chuàng)記錄腦電信號(hào)，開啟了人們對(duì)大腦與腦機(jī)接口的探索。時(shí)至今日，近百年的時(shí)間里，腦機(jī)接口取得了飛速的發(fā)展，已被應(yīng)用于醫(yī)療健康、狀態(tài)檢測(cè)、智能生活、國防安全等眾多場(chǎng)景，被美國、歐盟、日本、韓國等眾多發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體視作戰(zhàn)略級(jí)科技。據(jù)麥肯錫咨詢公司預(yù)測(cè)，未來10到20年，全球腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生最多2000億美元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

美國早在1989年就率先提出全國性的腦科學(xué)計(jì)劃，并把20世紀(jì)最后10年命名為“腦的10年”，他們還在2013年提出被認(rèn)為可與人類基因組計(jì)劃相媲美的“腦計(jì)劃”，旨在探索人類大腦工作機(jī)制、繪制腦活動(dòng)全圖、推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)研究、針對(duì)目前無法治愈的大腦疾病開發(fā)新療法。

1991年，歐洲出臺(tái)“歐洲腦10年”計(jì)劃。2013年1月，歐盟委員會(huì)宣布人腦工程入選“未來新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，并設(shè)立專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃“人類大腦計(jì)劃”，可在10年內(nèi)（2013年至2023年）獲得10億歐元經(jīng)費(fèi)。日本腦/思維計(jì)劃（通過用于疾病研究的集成神經(jīng)技術(shù)繪制腦圖），于2014年6月啟動(dòng)，計(jì)劃開發(fā)腦圖繪制技術(shù)，并繪制人類腦圖譜。該項(xiàng)目在10年內(nèi)受到共400億日元的資助。

我國也高度重視腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展，已將“腦科學(xué)和類腦研究”列入國家重大科技創(chuàng)新和工程項(xiàng)目。中國科學(xué)院也于2022年初成立腦科學(xué)和智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心。2023年2月，中國腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，將積極發(fā)揮政產(chǎn)學(xué)研用橋梁紐帶作用，為我國腦機(jī)接口、腦機(jī)交互、腦機(jī)智能領(lǐng)域規(guī)劃布局提供支撐建議，加強(qiáng)跨領(lǐng)域與行業(yè)交流，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用探索，開展標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試研究，培育和構(gòu)建產(chǎn)業(yè)生態(tài)，以便更好地支撐我國經(jīng)濟(jì)、科技和社會(huì)發(fā)展。

腦機(jī)接口走向生活

早在20多年前，清華大學(xué)就對(duì)于無創(chuàng)腦機(jī)接口進(jìn)行了研究。當(dāng)時(shí)，航天員上天之前，都需要進(jìn)行耐力方面的特殊訓(xùn)練，目的是使受訓(xùn)者在接受轉(zhuǎn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、失重和超重等刺激時(shí)，不會(huì)發(fā)生眩暈和錯(cuò)覺癥狀。在太空環(huán)境適應(yīng)訓(xùn)練中，航天員訓(xùn)練最多的是離心機(jī)，因?yàn)殡x心機(jī)高強(qiáng)度的刺激環(huán)境，在訓(xùn)練中人常常會(huì)來不及喊停便陷入眩暈。來自清華大學(xué)的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)在離心機(jī)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中檢測(cè)受訓(xùn)人的大腦意識(shí)狀態(tài)，通過腦機(jī)接口系統(tǒng)分辨出受訓(xùn)人是否清醒。這種基于腦電狀態(tài)來評(píng)價(jià)人的精神狀態(tài)，并基于用戶需求給予特定反饋的技術(shù)，形成了多類應(yīng)用——開發(fā)更為輕便的可穿戴設(shè)備，應(yīng)用在冥想、放松、睡眠等健康場(chǎng)景以及專注力、智能玩具、藝術(shù)裝置等教育或消費(fèi)類場(chǎng)景中。

2006年，美國布朗大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)完成首個(gè)大腦運(yùn)動(dòng)皮層腦機(jī)接口設(shè)備植入手術(shù)，四肢癱瘓的病人能夠通過運(yùn)動(dòng)意圖來完成機(jī)械臂控制、電腦光標(biāo)控制等任務(wù)。2012年，腦機(jī)接口設(shè)備已能夠勝任更復(fù)雜和廣泛的操作，國外有團(tuán)隊(duì)為一位癱瘓女士植入了96個(gè)電極的腦機(jī)接口設(shè)備，讓這位女士用大腦操控機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)自己喝水、吃飯、打字、與人交流等。2014年巴西足球世界杯開幕式，高位截癱青年朱利亞諾·皮諾特在腦機(jī)接口與人工外骨骼技術(shù)的幫助下開出一球。近十幾年來，腦機(jī)接口不斷接近了人們過去在科幻作品中看到的未來形象。

國內(nèi)的腦機(jī)接口應(yīng)用醫(yī)療健康研究也如雨后春筍般興起。值得關(guān)注的是，2018年，清華大學(xué)腦機(jī)接口團(tuán)隊(duì)為一位漸凍癥患者設(shè)計(jì)了一套中文輸入的視覺腦機(jī)接口系統(tǒng)，幫助這位漸凍癥患者完成腦控打字的任務(wù)。迄今為止，這套全國產(chǎn)化高舒適度高速人機(jī)交互新模式系統(tǒng)，仍牢牢保持高速率腦機(jī)接口技術(shù)世界第一的紀(jì)錄。

這套系統(tǒng)基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位技術(shù)開發(fā)，其原理是通過一定頻率閃爍的目標(biāo)對(duì)實(shí)驗(yàn)者的眼睛進(jìn)行刺激，再根據(jù)大腦視皮層響應(yīng)的特定腦電信號(hào)來判斷實(shí)驗(yàn)者看到的是哪個(gè)閃爍頻率的信號(hào)，進(jìn)而通過腦電算法解碼成相應(yīng)的操作指令。在腦機(jī)接口的研究范式中，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位技術(shù)具有短交互、高準(zhǔn)確度、安全性高、應(yīng)用面廣等優(yōu)勢(shì)。如今，這一技術(shù)已經(jīng)在車載、醫(yī)療、智能裝備、元宇宙等與國民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)的重要行業(yè)走向應(yīng)用。

殘障人士的醫(yī)療輔助與康復(fù)也是腦機(jī)接口的重要應(yīng)用方向，在智能仿生手領(lǐng)域，國內(nèi)專家已開發(fā)出腦機(jī)接口手功能康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)，通過與人工智能算法高度整合，將腦機(jī)接口與外骨骼機(jī)器人有機(jī)結(jié)合，通過采集、處理人體腦電神經(jīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作控制。使用者可通過“意念”控制外骨骼機(jī)械手，帶動(dòng)癱瘓手部進(jìn)行訓(xùn)練，也可做出各種復(fù)雜動(dòng)作，幫助使用者實(shí)現(xiàn)肢體康復(fù)訓(xùn)練。這項(xiàng)應(yīng)用對(duì)運(yùn)動(dòng)技能衰退的中老年人、腦血栓引起的運(yùn)動(dòng)障礙、中樞及外圍神經(jīng)病變患者、斷肢移植、皮膚移植造成的感覺功能障礙等人員具有很好的前景，可幫助患者重獲對(duì)軀體的掌控，自信面對(duì)生活。

在數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界無縫切換

基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位技術(shù)的元宇宙級(jí)交互體驗(yàn)系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的手柄、手勢(shì)、語音、眼動(dòng)等交互手段，腦機(jī)接口可以不依賴于肌肉和外周神經(jīng)直接與外部設(shè)備與環(huán)境建立交互，且更具沉浸感，可解放雙手，通過腦電信號(hào)實(shí)現(xiàn)“所見即所得”。元宇宙的產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，物理世界的更多行為、動(dòng)作可以通過編碼接入數(shù)字世界，不僅會(huì)重塑交互，更會(huì)深刻影響人們感知、回應(yīng)、掌控事物的方式，加強(qiáng)人在虛擬世界的真實(shí)感官體驗(yàn)，在數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界持續(xù)、無縫地切換。

作為一項(xiàng)應(yīng)用前景廣泛的高新技術(shù)，腦機(jī)接口的技術(shù)發(fā)展除了需要加強(qiáng)政策及標(biāo)準(zhǔn)制定、研發(fā)投入、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用、多方協(xié)同等之外，還需要依托全面科普為這一前沿科技注入動(dòng)能?？茖W(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，青少年是人才的儲(chǔ)備力量，更是社會(huì)進(jìn)步的希望所在，青少年對(duì)科學(xué)技術(shù)的掌握程度往往決定一個(gè)地區(qū)的創(chuàng)新力、一個(gè)社會(huì)的發(fā)展力和一個(gè)國家的競(jìng)爭力。因此，加強(qiáng)青少年腦機(jī)接口科普教育工作，對(duì)培養(yǎng)一代懂科學(xué)、愛科學(xué)、用科學(xué)的優(yōu)秀青少年群體、建設(shè)腦機(jī)接口后備人才隊(duì)伍尤為重要。

在世界機(jī)器人大賽中，已增設(shè)了一項(xiàng)腦機(jī)接口的專業(yè)賽事——BCI腦控機(jī)器人大賽，就是一項(xiàng)推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新突破，推動(dòng)腦機(jī)接口技術(shù)與各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)交流合作，滿足人們對(duì)醫(yī)療、養(yǎng)老、康復(fù)等多樣化的民生需求，實(shí)現(xiàn)該領(lǐng)域與各行業(yè)的跨越融合發(fā)展的賽事。該賽事還推動(dòng)前沿科技向青少年普及。例如，“腦力小巨人”比賽，將腦電生物反饋?zhàn)龅搅吮荣愴?xiàng)目中，讓孩子們體驗(yàn)前沿的腦機(jī)接口技術(shù)，學(xué)習(xí)多科學(xué)融合的技術(shù)知識(shí)，提升綜合素養(yǎng)。

在漫長的歷史進(jìn)程中，人類已經(jīng)一次次成功地獲得了這些改變世界的技術(shù)?？梢詷酚^地看到，未來，人類能夠成功將腦機(jī)接口技術(shù)融合進(jìn)生活、賦能產(chǎn)業(yè)，助力國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提升大眾幸福感。

編輯：黃飛