Science Robotics刊登CMU重大突破 意念操控機械臂

頂尖學術期刊《科學》旗下的Science Robotics本月19號刊登了腦機接口（BCI）領域的一項突破成果。美國卡內基梅隆大學的賀斌教授帶領其研究團隊與明尼蘇達大學合作，成功開發(fā)出第一款非侵入式的意念控制機械臂，能夠連續(xù)跟蹤隨機運動的計算機光標。這項技術將幫助眾多癱瘓患者和運動障礙患者大大提升生活質量，也有望為普通人群帶來廣泛的應用。

用意識控制物體似乎一直是科幻電影中才會存在的超能力

其實，科學家們早已將這種超能力帶到了我們的現(xiàn)實生活中。不過，成功控制諸如機械臂之類設備的腦機接口技術都要通過手術在人的腦部植入電極、芯片等。

史上首個成功的非侵入式意念控制機械臂

現(xiàn)在，卡內基梅隆大學（CMU）生物醫(yī)學工程系教授賀斌團隊開發(fā)出了一種可與大腦無創(chuàng)連接的腦機接口，能讓人用意念控制機器臂連續(xù)、快速運動。

▲用戶使用BCI控制機械臂穩(wěn)定、連續(xù)跟隨移動的光標

據(jù)悉，在二維平面控制光標移動的傳統(tǒng)任務中，相比非侵入式BCI，這種新型的BCI學習效果提高了近60%。研究人員還開發(fā)了一個更接近現(xiàn)實使用的情境，也就是由用戶采用運動想象來連續(xù)追逐隨機移動的光標，這個任務的學習成績提高了5倍以上。

論文地址：

https://robotics.sciencemag.org/content/robotics/4/31/eaaw6844.full.pdf

有創(chuàng)和無創(chuàng)的腦機接口

連接人腦和機器的其中重要一步是獲取電信號，主要分為有創(chuàng)和無創(chuàng)的腦機接口。

有創(chuàng)的腦機接口需要通過手術向頭部植入電極來實現(xiàn)腦電信號的獲取。這樣做的好處就是可以直接從大腦皮層獲取信息，可以避免神經信號因為遠距離傳輸而衰減，通過這種技術記錄到的信號具有極高的信噪比和良好的分辨率。

目前已經證實從腦植入電極感測到的信號來控制機器人設備的良好性能。

但是問題也很明顯，首先就是植入手術過程中具有潛在的風險，其次，電極也很難精確的植入到對應的腦區(qū)，隨著時間的推移，電極也會被疤痕組織覆蓋，這樣神經信號就會大幅衰弱，需要重新植入。

無創(chuàng)腦機接口則不需要手術，直接從人的頭皮表面記錄神經信號，這種方式對人體損害小，而且相較于有創(chuàng)腦機接口，人類可以節(jié)省大量的訓練時間。

這種方式的問題也很明顯，由于是在腦外，獲得的神經信號更容易受到噪聲的干擾，在強度上也遠不如有創(chuàng)腦機接口。這是無創(chuàng)腦機接口急需解決的問題。

新成果的重要價值

這一次卡內基梅隆大學和明尼蘇達大學的研究人員正是在無創(chuàng)腦機接口領域獲得了突破性的進展。通過使用新穎的傳感和機器學習技術，研究人員的設備能夠訪問大腦深處的信號，實現(xiàn)對機器人手臂的高分辨率控制。通過無創(chuàng)神經影像學和一種新穎的連續(xù)追蹤范式，克服了嘈雜的腦電信號，從而顯著改善了基于腦電圖的神經解碼，并促進了實時連續(xù)的2-D機器人設備控制。

迄今為止，這項技術已經在68名身體健全的人體受試者身上進行了測試（每個受試者最多10次），包括虛擬設備控制和機器人臂的控制，以便持續(xù)追蹤。同時，這項技術可直接適用于患者，團隊計劃在不久的將來進行臨床試驗。

科幻終將成為現(xiàn)實

關注過《挑戰(zhàn)不可能》的朋友，可能記得一名特殊的漸凍癥患者——王甲。他正是使用了來自清華大學醫(yī)學院神經工程團隊帶來的無創(chuàng)腦機接口才完成了不可能的挑戰(zhàn)。

王甲由于患上“漸凍癥”，失去了幾乎所有運動的機能，清華大學的神經工程團隊為王甲打造了一款無創(chuàng)腦機接口打字系統(tǒng)，通過對視覺神經信號的解碼來完成打字的任務。這重新建立了王甲和這個世界的聯(lián)系。

事實上，目前的腦機接口技術主要的目標人群是像王甲一樣的殘疾人，為他們盡可能的恢復與這個世界的聯(lián)系。

在未來，腦機接口技術也會走向普通大眾，擺脫各種操作面板、鼠標、鍵盤，通過人的思維來直接控制計算機和機器，這肯定是腦機接口未來發(fā)展的方向。正如卡內基梅隆大學生物醫(yī)學工程系主任賀斌教授所說的：“這項技術有朝一日可能成為幫助每個人的普遍輔助技術，就像智能手機一樣。”