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美國研究人員近日宣布，已研制出一種可由大腦控制的機械手，這種機械手能幫助人準確且自然地執(zhí)行動作。長期癱瘓的人可以通過手部定位、導(dǎo)向以及接觸，部分恢復(fù)自然的指令信號，進行一些接近正常人的活動。將人腦與機器“結(jié)合”，這項曾經(jīng)看似遙不可及的技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)開始變成現(xiàn)實。在未來，“腦機接口”技術(shù)將會有哪些新突破？在應(yīng)用領(lǐng)域，又將會有哪些我們意想不到的用途？我們特邀專家進行解答。
“腦控手”：
癱瘓者可用意念控制假肢
一直以來，研究者對于人腦與計算機結(jié)合的技術(shù)很感興趣。而發(fā)表于醫(yī)學(xué)雜志《柳葉刀》的這項最新研究結(jié)果，就是把獲取的大腦神經(jīng)細胞的放電信號變成了計算機編碼，從而可以準確控制機械手的運動。
神經(jīng)生理學(xué)家和生物醫(yī)學(xué)工程師們認為，這種由腦控制的假肢是該領(lǐng)域的一個新突破。
方法：運用基于模型的算法
研究小組成員、賓夕法尼亞州匹茲堡大學(xué)教授安德魯·施瓦茨說，這項研究最大的挑戰(zhàn)一直是如何把人腦信號準確轉(zhuǎn)錄為計算機編碼。
不少做到這一點的腦控假肢所用算法是一個復(fù)雜的“圖書館”，內(nèi)容為人腦信號與計算機編碼的連接關(guān)系。通過這種算法，很多大腦控制的假肢已經(jīng)可以達到這樣的效果。
但這次研究者們采用的是完全不一樣的方法，他們通過運用一種基于模型的算法，可以準確地模仿未受損害的大腦控制肢體的運動。實驗結(jié)果表明，這個機械手可以比之前的任何腦控假肢運動得更精準、自然。
實驗：完成任務(wù)成功率高達91.6%
該研究小組將兩個微電極植入一個52歲的婦女大腦運動皮層。
這位女性志愿者由于脊髓小腦退化導(dǎo)致左半身從頸部開始癱瘓，無法移動自己的手部和腳部。動完手術(shù)兩周后，該婦女裝上了假肢并且進行了為期14周的訓(xùn)練。第二天后，她便可以通過腦控來移動假肢。
該訓(xùn)練主要針對9種技能，例如抓和移動小物體、堆疊椎體等等。最后，她完成任務(wù)的成功率高達91.6%，而且每項動作比實驗之初平均快了30秒。
計劃：讓機械假肢具備感知功能
研究者表示，下一步工作是讓合并了感受器的機器假肢告訴病人物體表面是冷、熱、粗糙或是光滑，并且用Wi-fi技術(shù)取代電線將病人的腦和假肢聯(lián)系起來。
早在2011年10月，北卡羅來納州杜克大學(xué)的一個研究小組稱，他們將電極植入猴子大腦，可以讓該動物感受到虛擬物體的質(zhì)感。最近，在美國國防部高級研究項目署(DARPA)資助下，研究人員正在研發(fā)潛在的可以用于軍事的相關(guān)技術(shù)，包括供退伍老兵使用的腦機接口技術(shù)。
“腦機接口技術(shù)”：
你想做什么 電腦都知道
侵入式VS非侵入式
華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院院長、華南理工大學(xué)腦機接口與腦信息處理研究中心主任李遠清教授向本報記者介紹說，將人腦與機器“結(jié)合”，就是專業(yè)人士所稱的腦機接口技術(shù)。該技術(shù)涉及腦科學(xué)、神經(jīng)工程、計算機科學(xué)、控制科學(xué)、信號處理等多個學(xué)科，多次被評為世界十大科技進展。
“依據(jù)信號獲取的方式，腦機接口可以分為兩大類。一類是侵入式腦機接口，就是將微電極植入人或者猴子等動物的大腦皮層，提取腦信號并輸入計算機實時處理，得到反映用戶意圖的控制命令，來控制機械臂等外部設(shè)備。”李教授表示。
像“腦控手”就是一種侵入式腦機接口。這種腦機接口的優(yōu)點是提取的信號質(zhì)量高，能完成對一些復(fù)雜外部設(shè)備（如假肢）的操控，缺點也很明顯，就是對大腦有傷害。“病人能否長期植入這種微電極，保證其性能長期穩(wěn)定和安全，這些都是沒有解決的難題。”他說。
此外，另一種方式是非侵入式的腦機接口，目前最普遍用的是腦電，腦電是通過頭皮電極提取的電信號。這種腦機接口的突出優(yōu)點是對大腦沒有傷害，方法簡單，設(shè)備相對便宜，但缺點是提取的信號質(zhì)量相對較差，難以操控復(fù)雜對象。
如何提取“腦信號”是關(guān)鍵
人腦與機器，原本毫無關(guān)聯(lián)，為何能互通信息？李教授解釋說，人腦和機器的結(jié)合，主要是通過一個橋梁，就是腦信號。腦信號首先通過腦電圖、植入電極、光學(xué)成像、腦磁圖等設(shè)備獲取，然后通過有線或無線的方式輸入電腦，電腦對這些信號實時處理，提取反映用戶意圖的信息，并將這些信息變成對外部設(shè)備的控制指令，從而實現(xiàn)腦機結(jié)合。“這項技術(shù)的一個重要應(yīng)用前景是對殘疾人的神經(jīng)功能進行輔助及促使其康復(fù)。就目前來看，這項技術(shù)還處在實驗室研究和應(yīng)用的交叉地帶，要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還需要解決設(shè)備成本過高、使用不太便利、性能（如準確率、反應(yīng)速度、穩(wěn)定性等）進一步提高等問題。”
關(guān)于“腦機結(jié)合”，有些技術(shù)目前已經(jīng)實現(xiàn)，除了“腦控手”，還有基于腦電的文字輸入、家電遙控、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、電話撥號、虛擬車或輪椅操控、基于植入電極的對老鼠和壁虎等動物的運動控制、猴子用腦操作機械臂等。
腦控輪椅不久將推向市場
坐上一臺輪椅，只需想一想怎么走，就能怎么走？無論前后左右，或者加速減速都沒問題？這不是幻想，而是用腦電波控制的輪椅的神奇之處。
李教授告訴記者，在國內(nèi)也有不少關(guān)于“腦機結(jié)合”的科研成果。華南理工大學(xué)腦機接口與腦信息處理研究中心研發(fā)了一款多模態(tài)腦控輪椅，可以實現(xiàn)大腦對輪椅的方向、速度、停止啟動等多種功能的控制。其關(guān)鍵技術(shù)是多模態(tài)腦機接口技術(shù)，具體來講，就是結(jié)合腦電中的視覺誘發(fā)電位和與運動想象相關(guān)的同步與解同步模式，實現(xiàn)多自由度控制。這些相關(guān)技術(shù)，已經(jīng)獲得三項國家發(fā)明專利。除“腦控輪椅”外，該研究中心還建立了其他腦機接口系統(tǒng)，包括家電集成控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)瀏覽與郵件收發(fā)系統(tǒng)等等。
“這類腦機接口系統(tǒng)與‘腦控手’不同，是基于腦電的、非植入式的，對大腦沒有傷害。但不足的地方是，不易完成對復(fù)雜對象（例如假肢）的操作。”他說。
這種腦控輪椅，經(jīng)歷了兩年多的研究，仍處于實驗室階段。他們計劃在接下來的時間里能尋找到更低廉的信號獲取設(shè)備，以降低成本，同時還將進一步完善該系統(tǒng)，讓輪椅反應(yīng)更精準、快速。待這款新型輪椅的性能穩(wěn)定后，很可能會推向市場。這款輪椅的市場化將會給殘疾人帶來福音，使用者僅須通過執(zhí)行一定的意識任務(wù)與接受車載電腦的視覺刺激就可以控制輪椅的行駛。該輪椅的造價目前要20萬元左右。“就技術(shù)而言，由于我們實現(xiàn)了多功能控制，應(yīng)該說是處于國際先進水平的。”李教授說。
未來或能用“思維”執(zhí)行任務(wù)
“從應(yīng)用的角度，我個人看好非嵌入式腦機接口系統(tǒng)，主要是因為這類系統(tǒng)對大腦沒有傷害。而其性能的提高、設(shè)備成本的降低以及設(shè)備的方便實用等則可以隨著技術(shù)的進步逐漸解決。”李教授說。
那么，在未來，人類最終是否能夠?qū)崿F(xiàn)電影《阿凡達》中描述的那樣，直接通過大腦控制外部設(shè)備，按自己的思維來執(zhí)行很多復(fù)雜任務(wù)？
李教授認為的確有可能。他表示，在未來，“腦機結(jié)合”技術(shù)的發(fā)展趨勢，可能體現(xiàn)在以下幾個方面：
一是雙向腦機交互。過去的腦機接口系統(tǒng)主要是從腦到機，也有一些從機到腦的，但真正意義上的雙向腦機接口還不多見。
二是用于腦機接口的腦信號獲取技術(shù)的進步。腦機接口最終走向應(yīng)用，很大程度上取決于信號獲取設(shè)備。對侵入式腦機接口，微電極要安全，且性能穩(wěn)定。對非侵入式腦機接口，信號設(shè)備要便宜，性能好且方便實用。
三是在應(yīng)用與產(chǎn)業(yè)化方面將更加廣泛。目前，研究人員已經(jīng)在殘疾人，如中風(fēng)病人的運動功能輔助、小兒多動癥治療等方面開展探索性研究，并取得了初步成效。除此之外，腦機接口也可能在軍事領(lǐng)域產(chǎn)生應(yīng)用。
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