利用脑-机接口技术实现“意念”打字

“意念”打字成现实，“脑语者”芯片获突破

脑-机接口技术已广泛应用，但仍存在技术瓶颈和隐忧

在天津大学的实验室里，实验员用“意念”进行“隔空打字”。 记者宋瑞摄

在天津大学某实验室内，一块布满字符和符号的屏幕上，黑色方块频繁闪烁。一名男生佩戴着布满灵敏电极的黑色脑电极帽，紧盯屏幕，在无需双手操作的情况下，通过“意念”“隔空打字”，将字符输入指定区域。

实验室外，“隔空打字”的速度角逐，已在赛场上演。2019年8月，天津大学精密仪器与光电子工程学院神经工程与康复实验室研究生魏斯文，在2019世界机器人大会的“BCI脑控机器人大赛暨第三届中国脑机接口比赛”中，以最高每分钟691比特的脑控打字解码速度，夺得桂冠。

普通人用手在触屏手机上打字的速度，约为每分钟600比特。魏斯文在不用手、不用键盘的情况下，用“意念”每分钟解码输出69个汉字，已超过普通人用触屏手机打字的速度。

“意念”打字，利用的正是脑-机接口技术(brain-computer interface，BCI)。

脑-机接口技术被誉为人脑与外界沟通交流的“信息高速公路”，是在人脑和计算机或其他电子设备之间，建立不依赖于常规大脑信息输出通路的全新技术。

“我们大脑的想法，通常是通过神经外周组织或者肌肉组织表达出来”，天津大学医学工程与转化医学研究院副教授许敏鹏说，“脑-机接口技术则是绕过这样的正常通路，在大脑和计算机之间直接建立联系”。

目前，脑-机接口技术已广泛应用于医疗康复、军事、航天等领域。随着技术发展，脑-机交互将是未来人机通信交互的最高形态。

让康复医疗“插上翅膀”

在天津医院康复科的治疗室里，47岁的患者王杨佩戴好脑-机接口设备后，根据电脑提示，进行手腕功能康复训练。

经历3个多月的治疗，他已经能自行进行腕关节旋转、踝关节背曲等运动。

“2年前，我在手术过程中心脏主动脉血管夹层破裂，导致脑梗，手腕、脚踝关节都无法正常活动。”王杨回忆。

“后来，了解到天津医院运用脑-机接口技术帮助患者康复，我就报名来参加。每周来医院3次，每次进行1小时的康复训练”，王杨很庆幸，“现在我上下肢都有改善，对身体恢复很有信心”。

“自今年7月起，我们正式将脑-机接口技术应用于脑卒中患者的康复治疗临床实验中”，天津医院康复科主治医师李奇说，医院接收了21例患者，治疗效果都有明显提升。

“这种治疗方式不仅能提高患者的主动性，还可在患者受损的中枢神经中形成反馈，刺激脑的重塑或代偿，从而提高康复疗效。”李奇补充。

利用脑-机接口技术实现医疗康复，正在改变人们的生活。

时光倒回至1924年，德国精神科医生汉斯·贝格尔发现了脑电波——人的意识可以转化成电子信号被读取。此后，脑-机接口技术研究开始出现，但直到20世纪70年代，这项技术才真正开始成形。

1969年，研究员埃伯哈德·费兹将猴子大脑中的一个神经元，连接到仪表盘。当神经元被触发时，仪表盘的指针会转动。

实验中，如果猴子通过某种思考方式触发该神经元，并让仪表盘指针转动，它就能得到一颗香蕉味的丸子作为奖励。

渐渐地，猴子为了吃到丸子，越来越擅长这个游戏，它学会了控制神经元的触发。偶然中，猴子成为首个真正的脑-机接口被试对象。

1978年，视觉脑-机接口方面的先驱William Dobelle，在一位男性盲人的视觉皮层植入了68个电极的阵列，成功制造了光幻视。

该脑-机接口系统包括一个采集视频的摄像机，信号处理装置和受驱动的皮层刺激电极。植入后，病人可以在有限的视野内，看到灰度调制的低分辨率、低刷新率点阵图像。

20世纪90年代末，脑-机接口技术迎来了发展高潮，应用成果快速拓展，在众多领域显示出广阔前景。

其中，在神经康复或辅助医学领域，脑-机接口技术在脑部外伤、肢体残疾、神经系统疾病等患者的康复和功能重建中，发挥着重要作用。

奥地利格拉茨科技大学应用脑-机接口控制电刺激，帮助手部瘫痪病人完成了抓杯、举杯、倒水入口这一系列动作，被认为是脑-机接口应用于助残事业的里程碑事件。

2014年巴西世界杯足球赛开幕式上，一名腰部以下完全瘫痪的少年，通过脑-机接口技术控制下肢外骨骼，完成了开球表演，一时轰动全世界，这得益于长期的虚拟训练与外骨骼技术的发展。

在国内，天津大学神经工程团队，2014年研制成功首台适用于全肢体中风康复的人工神经机器人系统——“神工一号”。

融合了运动想象脑-机接口技术和物理训练康复疗法，该系统在中风患者体外，仿生构筑了一条人工神经通路，经过模拟解码患者的运动康复意念信息，进而驱动多级神经肌肉电刺激技术，产生对应动作。

“在运动康复训练的同时，这一系统能促进患者受损脑区功能恢复、修复和重建体内神经通路的可塑性。”团队科研人员介绍。

“神工一号”在2014年问世后，连续迭代发展，如今研发出“神工三号”，技术逐步成熟，工艺日臻完善。

目前，这项技术已经在天津、山东多地三甲医院进行临床试验，为上千名患者带来新的治疗手段。

展望“神工”系列的未来，“我们目标是将‘神工’设计成体积更小的可穿戴便携设备”，研究人员介绍，“这样，不仅能辅助病人完成更多复杂而精细的肢体动作，还可以实时监测他们的大脑激活状态，及时调整康复训练模式。”

多领域广泛应用

除医疗康复领域外，大到军事、航天领域，小到生活娱乐版块，脑-机接口技术已在多领域广泛应用。

在军事领域，多国已经开始涉足研制脑控武器原型装备，即让武器装备按照人的大脑意念思维执行操作。

脑控战斗机、脑控装甲车……未来武器装备也许将实现“随心所动”的智能化操作，做到感知即决策、决策即打击，极大提升装备的打击效能。这或许将引发武器装备操控模式革命。

不仅如此，脑-机接口技术还有潜力应用在教育、游戏、智能通讯等领域。BrainCo公司针对教育产业开发了“Focus”系列头环，可以实现对人的注意力监测。

“脑-机接口技术可以帮助学生，提高学习效率、提升注意力。”来自美国硅谷的教育机器人公司萝卜太辣创始人兼CEO张尧说。

该技术还实现了用“思想”控制电子游戏，增加了电子游戏新的娱乐功能。相比传统鼠标、键盘控制的电子游戏，显著增加了游戏的娱乐效应。

此外，佛罗里达大学开展的脑控无人机相关技术，也逐渐应用于电子竞技行业等。

在科学研究领域，世界各国都加大了对脑-机接口技术的研究。

近十年里，美国在脑-机接口领域发表的论文总数排名第一，我国位于第二位。

“脑语者”芯片取得突破

2019年，天津大学和中国电子信息产业集团合作研发了一款高集成脑-机交互芯片“脑语者”——拥有完全自主知识产权的国产芯片。

“‘脑语者’可应用于特种医学、康复医学、脑认知、神经反馈、信号处理等领域。”研究人员介绍。

“这款芯片能识别出头皮脑电中极微弱的神经信息，高效计算解码用户操作指令”，天津大学医学工程与转化医学研究院相关负责人介绍，“这将极大提升大脑与机器之间的通讯效率，满足日常交流需求，让脑-机交互设备真正成为使用者的‘第三只手’”。

“‘脑语者’有望为脑-机交互技术走向民用化、便携化、可穿戴化及简单易用化开辟道路。”这位负责人说。

据了解，“脑语者”芯片采用了一套高度集成的脑-机交互芯片架构，支持多通道神经信息采集、处理和交互。

“这款芯片实现了快通讯、精识别、高指令等目标。”研究人员对记者说。

针对脑-机交互的特殊需求，“这款芯片也提供脑电编码接口、采集传输接口、解码专速器等订制化模块”，研究人员介绍，“这就形成了一套完整的嵌入式脑-机接口开发平台。”

目前还存技术瓶颈

专家表示，脑-机接口技术将经历脑-机接口、脑-机交互和脑-机融合这三个发展阶段。“当前，脑-机接口技术正由第一阶段向第二阶段发展过渡”，这位专家介绍，目前还存在四点技术瓶颈：传感精度低、集成计算效率差、编解码能力弱、互适应手段缺。

面对这些问题，天津大学的专家介绍，要在基础原理与关键技术、系统集成与重大应用等方面实现突破。

具体而言，要促进脑-机传感、脑-机编解码、脑-机互适应等关键技术环节的理论创新与技术突破。

“要发展更稳定更便携的检测电极，更高精度的传感方式，还需要发展更深层次、更全方位、更高精度的读脑技术。”天津大学的专家介绍。

他补充说，需要加强对脑-机接口专用计算芯片的研发投入，实现高集成度、便携化、简易化的脑-机接口系统。

穿上安全“防护服”

未来脑-机接口技术，将从目前脑-机单向接口，进化为脑-机双向“交互”，最终实现脑-机完全智能“融合”。

在此基础上，将发展出更先进的人-机混合智能技术，并组建由人脑与人脑及与智能机器之间，交互连接构成的新型人机智能网络。

“这将彻底改变现有人类与智能机器之间的关系，为人类创造出前所未有的智能时代新生活。”天津大学的专家说。

然而在脑-机深度交互下，一些对于技术发展的担忧也在慢慢出现。

“侵入式”脑-机接口技术，是否会由于植入电极造成脑部伤害?

“脑控”期间，是否会因为信息导入或者输出错误，给脑部带来伤害?

对于“非侵入式”脑-机接口技术，脑电波收集信息的无序管理和泛滥使用，是否涉及对个人隐私的侵犯?

“使用脑-机接口技术应首先遵循知情同意原则”，专家建议，“这项技术的使用必须是对人是有利的，不允许对他人、社会造成伤害”。

另外，在使用过程中还要遵循自主性原则。

以脑-机技术应用于治疗为例，在任何治疗过程中均应尊重患者的自主性，由患者决定是否治疗、采取何种治疗措施以及何时终止治疗。

“应明确限定’读脑‘的内容、时间，且’读脑‘必须是以治疗为目的。”天津大学的专家告诉记者。

“控脑”是为恢复大脑的功能、刺激大脑的发育而采取的治疗措施，“只允许‘控脑’用于明确的临床用途，且治疗时间、内容、方法需有严格限制。”专家补充。(记者翟永冠、宋瑞)