世界視點！腦機接口從科幻走向現(xiàn)實！清華這套技術(shù)仍保持世界第一
在科幻電影中，經(jīng)常有這樣的場景——殘疾人可以用機械臂自如地彈唱，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”指揮著龐大的機械……其實，這些神奇的場景并不僅僅是科幻想象，現(xiàn)實中，不斷發(fā)展的“腦機接口技術(shù)”正是要在將來讓這些變成現(xiàn)實。
(資料圖)
人腦思維的擴展
腦機接口，顧名思義，就是大腦和計算機之間的接口，指大腦與計算機的直接連接。一方面大腦要發(fā)出指令實現(xiàn)對外部設(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，讓大腦及時調(diào)整控制策略，維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。一個典型的腦機接口系統(tǒng)包括三個部分：信號采集、信號分析和設(shè)備控制。腦機接口系統(tǒng)可以根據(jù)腦信號采集的方式，分為侵入式和非侵入式腦機接口；也可以根據(jù)腦機接口范式/感覺刺激/采用的信號進行分類，可分為單一范式/單一感覺刺激/單一腦信號的腦機接口和混合腦機接口。
腦機接口的發(fā)展源于人類擴展大腦智能的渴望。在可預(yù)見的將來，人類智能將與機器智能協(xié)同工作。機器的存儲和運算能力，配合人腦的思維與創(chuàng)新能力，將以腦機協(xié)同的形式開創(chuàng)一個新的未來。
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，開啟了人們對大腦與腦機接口的探索。時至今日，近百年的時間里，腦機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、智能生活、國防安全等眾多場景，被美國、歐盟、日本、韓國等眾多發(fā)達經(jīng)濟體視作戰(zhàn)略級科技。據(jù)麥肯錫咨詢公司預(yù)測，未來10到20年，全球腦機接口產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生最多2000億美元的經(jīng)濟價值。
美國早在1989年就率先提出全國性的腦科學計劃，并把20世紀最后10年命名為“腦的10年”，他們還在2013年提出被認為可與人類基因組計劃相媲美的“腦計劃”，旨在探索人類大腦工作機制、繪制腦活動全圖、推動神經(jīng)科學研究、針對目前無法治愈的大腦疾病開發(fā)新療法。
1991年，歐洲出臺“歐洲腦10年”計劃。2013年1月，歐盟委員會宣布人腦工程入選“未來新興旗艦技術(shù)項目”，并設(shè)立專項研發(fā)計劃“人類大腦計劃”，可在10年內(nèi)（2013年至2023年）獲得10億歐元經(jīng)費。日本腦/思維計劃（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，計劃開發(fā)腦圖繪制技術(shù)，并繪制人類腦圖譜。該項目在10年內(nèi)受到共400億日元的資助。
我國也高度重視腦機接口技術(shù)發(fā)展，已將“腦科學和類腦研究”列入國家重大科技創(chuàng)新和工程項目。中國科學院也于2022年初成立腦科學和智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心。2023年2月，中國腦機接口產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立，將積極發(fā)揮政產(chǎn)學研用橋梁紐帶作用，為我國腦機接口、腦機交互、腦機智能領(lǐng)域規(guī)劃布局提供支撐建議，加強跨領(lǐng)域與行業(yè)交流，推動技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用探索，開展標準和測試研究，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、科技和社會發(fā)展。
腦機接口走向生活
早在20多年前，清華大學就對于無創(chuàng)腦機接口進行了研究。當時，航天員上天之前，都需要進行耐力方面的特殊訓練，目的是使受訓者在接受轉(zhuǎn)動、旋轉(zhuǎn)、失重和超重等刺激時，不會發(fā)生眩暈和錯覺癥狀。在太空環(huán)境適應(yīng)訓練中，航天員訓練最多的是離心機，因為離心機高強度的刺激環(huán)境，在訓練中人常常會來不及喊停便陷入眩暈。來自清華大學的團隊負責在離心機實驗環(huán)境中檢測受訓人的大腦意識狀態(tài)，通過腦機接口系統(tǒng)分辨出受訓人是否清醒。這種基于腦電狀態(tài)來評價人的精神狀態(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、睡眠等健康場景以及專注力、智能玩具、藝術(shù)裝置等教育或消費類場景中。
2006年，美國布朗大學研究團隊完成首個大腦運動皮層腦機接口設(shè)備植入手術(shù)，四肢癱瘓的病人能夠通過運動意圖來完成機械臂控制、電腦光標控制等任務(wù)。2012年，腦機接口設(shè)備已能夠勝任更復(fù)雜和廣泛的操作，國外有團隊為一位癱瘓女士植入了96個電極的腦機接口設(shè)備，讓這位女士用大腦操控機械臂實現(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，清華大學腦機接口團隊為一位漸凍癥患者設(shè)計了一套中文輸入的視覺腦機接口系統(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交互新模式系統(tǒng)，仍牢牢保持高速率腦機接口技術(shù)世界第一的紀錄。
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對實驗者的眼睛進行刺激，再根據(jù)大腦視皮層響應(yīng)的特定腦電信號來判斷實驗者看到的是哪個閃爍頻率的信號，進而通過腦電算法解碼成相應(yīng)的操作指令。在腦機接口的研究范式中，穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位技術(shù)具有短交互、高準確度、安全性高、應(yīng)用面廣等優(yōu)勢。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)出腦機接口手功能康復(fù)訓練系統(tǒng)，通過與人工智能算法高度整合，將腦機接口與外骨骼機器人有機結(jié)合，通過采集、處理人體腦電神經(jīng)信號實現(xiàn)動作控制。使用者可通過“意念”控制外骨骼機械手，帶動癱瘓手部進行訓練，也可做出各種復(fù)雜動作，幫助使用者實現(xiàn)肢體康復(fù)訓練。這項應(yīng)用對運動技能衰退的中老年人、腦血栓引起的運動障礙、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，可幫助患者重獲對軀體的掌控，自信面對生活。
在數(shù)字世界與現(xiàn)實世界無縫切換
基于穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位技術(shù)的元宇宙級交互體驗系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)的手柄、手勢、語音、眼動等交互手段，腦機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，通過腦電信號實現(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、動作可以通過編碼接入數(shù)字世界，不僅會重塑交互，更會深刻影響人們感知、回應(yīng)、掌控事物的方式，加強人在虛擬世界的真實感官體驗，在數(shù)字世界和現(xiàn)實世界持續(xù)、無縫地切換。
作為一項應(yīng)用前景廣泛的高新技術(shù)，腦機接口的技術(shù)發(fā)展除了需要加強政策及標準制定、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能?？茖W技術(shù)是第一生產(chǎn)力，青少年是人才的儲備力量，更是社會進步的希望所在，青少年對科學技術(shù)的掌握程度往往決定一個地區(qū)的創(chuàng)新力、一個社會的發(fā)展力和一個國家的競爭力。因此，加強青少年腦機接口科普教育工作，對培養(yǎng)一代懂科學、愛科學、用科學的優(yōu)秀青少年群體、建設(shè)腦機接口后備人才隊伍尤為重要。
在世界機器人大賽中，已增設(shè)了一項腦機接口的專業(yè)賽事——BCI腦控機器人大賽，就是一項推進技術(shù)創(chuàng)新突破，推動腦機接口技術(shù)與各領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)交流合作，滿足人們對醫(yī)療、養(yǎng)老、康復(fù)等多樣化的民生需求，實現(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，將腦電生物反饋做到了比賽項目中，讓孩子們體驗前沿的腦機接口技術(shù)，學習多科學融合的技術(shù)知識，提升綜合素養(yǎng)。
在漫長的歷史進程中，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接口技術(shù)融合進生活、賦能產(chǎn)業(yè)，助力國民經(jīng)濟發(fā)展，提升大眾幸福感。
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