在天津大學的實驗室里，實驗員用“意念”進行“隔空打字”。 記者宋瑞攝
在天津大學某實驗室內，一塊布滿字符和符號的屏幕上，黑色方塊頻繁閃爍。一名男生佩戴著布滿靈敏電極的黑色腦電極帽，緊盯屏幕，在無需雙手操作的情況下，通過“意念”“隔空打字”，將字符輸入指定區(qū)域。
實驗室外，“隔空打字”的速度角逐，已在賽場上演。2019年8月，天津大學精密儀器與光電子工程學院神經工程與康復實驗室研究生魏斯文，在2019世界機器人大會的“BCI腦控機器人大賽暨第三屆中國腦機接口比賽”中，以最高每分鐘691比特的腦控打字解碼速度，奪得桂冠。
普通人用手在觸屏手機上打字的速度，約為每分鐘600比特。魏斯文在不用手、不用鍵盤的情況下，用“意念”每分鐘解碼輸出69個漢字，已超過普通人用觸屏手機打字的速度。
“意念”打字，利用的正是腦-機接口技術(brain-computer interface，BCI)。
腦-機接口技術被譽為人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是在人腦和計算機或其他電子設備之間，建立不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路的全新技術。
“我們大腦的想法，通常是通過神經外周組織或者肌肉組織表達出來”，天津大學醫(yī)學工程與轉化醫(yī)學研究院副教授許敏鵬說，“腦-機接口技術則是繞過這樣的正常通路，在大腦和計算機之間直接建立聯系”。
目前，腦-機接口技術已廣泛應用于醫(yī)療康復、軍事、航天等領域。隨著技術發(fā)展，腦-機交互將是未來人機通信交互的最高形態(tài)。
讓康復醫(yī)療“插上翅膀”
在天津醫(yī)院康復科的治療室里，47歲的患者王楊佩戴好腦-機接口設備后，根據電腦提示，進行手腕功能康復訓練。
經歷3個多月的治療，他已經能自行進行腕關節(jié)旋轉、踝關節(jié)背曲等運動。
“2年前，我在手術過程中心臟主動脈血管夾層破裂，導致腦梗，手腕、腳踝關節(jié)都無法正常活動。”王楊回憶。
“后來，了解到天津醫(yī)院運用腦-機接口技術幫助患者康復，我就報名來參加。每周來醫(yī)院3次，每次進行1小時的康復訓練”，王楊很慶幸，“現在我上下肢都有改善，對身體恢復很有信心”。
“自今年7月起，我們正式將腦-機接口技術應用于腦卒中患者的康復治療臨床實驗中”，天津醫(yī)院康復科主治醫(yī)師李奇說，醫(yī)院接收了21例患者，治療效果都有明顯提升。
“這種治療方式不僅能提高患者的主動性，還可在患者受損的中樞神經中形成反饋，刺激腦的重塑或代償，從而提高康復療效。”李奇補充。
利用腦-機接口技術實現醫(yī)療康復，正在改變人們的生活。
時光倒回至1924年，德國精神科醫(yī)生漢斯·貝格爾發(fā)現了腦電波——人的意識可以轉化成電子信號被讀取。此后，腦-機接口技術研究開始出現，但直到20世紀70年代，這項技術才真正開始成形。
1969年，研究員埃伯哈德·費茲將猴子大腦中的一個神經元，連接到儀表盤。當神經元被觸發(fā)時，儀表盤的指針會轉動。
實驗中，如果猴子通過某種思考方式觸發(fā)該神經元，并讓儀表盤指針轉動，它就能得到一顆香蕉味的丸子作為獎勵。
漸漸地，猴子為了吃到丸子，越來越擅長這個游戲，它學會了控制神經元的觸發(fā)。偶然中，猴子成為首個真正的腦-機接口被試對象。
1978年，視覺腦-機接口方面的先驅William Dobelle，在一位男性盲人的視覺皮層植入了68個電極的陣列，成功制造了光幻視。
該腦-機接口系統(tǒng)包括一個采集視頻的攝像機，信號處理裝置和受驅動的皮層刺激電極。植入后，病人可以在有限的視野內，看到灰度調制的低分辨率、低刷新率點陣圖像。
20世紀90年代末，腦-機接口技術迎來了發(fā)展高潮，應用成果快速拓展，在眾多領域顯示出廣闊前景。
其中，在神經康復或輔助醫(yī)學領域，腦-機接口技術在腦部外傷、肢體殘疾、神經系統(tǒng)疾病等患者的康復和功能重建中，發(fā)揮著重要作用。
奧地利格拉茨科技大學應用腦-機接口控制電刺激，幫助手部癱瘓病人完成了抓杯、舉杯、倒水入口這一系列動作，被認為是腦-機接口應用于助殘事業(yè)的里程碑事件。
2014年巴西世界杯足球賽開幕式上，一名腰部以下完全癱瘓的少年，通過腦-機接口技術控制下肢外骨骼，完成了開球表演，一時轟動全世界，這得益于長期的虛擬訓練與外骨骼技術的發(fā)展。
在國內，天津大學神經工程團隊，2014年研制成功首臺適用于全肢體中風康復的人工神經機器人系統(tǒng)——“神工一號”。
融合了運動想象腦-機接口技術和物理訓練康復療法，該系統(tǒng)在中風患者體外，仿生構筑了一條人工神經通路，經過模擬解碼患者的運動康復意念信息，進而驅動多級神經肌肉電刺激技術，產生對應動作。
“在運動康復訓練的同時，這一系統(tǒng)能促進患者受損腦區(qū)功能恢復、修復和重建體內神經通路的可塑性。”團隊科研人員介紹。
“神工一號”在2014年問世后，連續(xù)迭代發(fā)展，如今研發(fā)出“神工三號”，技術逐步成熟，工藝日臻完善。
目前，這項技術已經在天津、山東多地三甲醫(yī)院進行臨床試驗，為上千名患者帶來新的治療手段。
展望“神工”系列的未來，“我們目標是將‘神工’設計成體積更小的可穿戴便攜設備”，研究人員介紹，“這樣，不僅能輔助病人完成更多復雜而精細的肢體動作，還可以實時監(jiān)測他們的大腦激活狀態(tài)，及時調整康復訓練模式。”
多領域廣泛應用
除醫(yī)療康復領域外，大到軍事、航天領域，小到生活娛樂版塊，腦-機接口技術已在多領域廣泛應用。
在軍事領域，多國已經開始涉足研制腦控武器原型裝備，即讓武器裝備按照人的大腦意念思維執(zhí)行操作。
腦控戰(zhàn)斗機、腦控裝甲車……未來武器裝備也許將實現“隨心所動”的智能化操作，做到感知即決策、決策即打擊，極大提升裝備的打擊效能。這或許將引發(fā)武器裝備操控模式革命。
不僅如此，腦-機接口技術還有潛力應用在教育、游戲、智能通訊等領域。BrainCo公司針對教育產業(yè)開發(fā)了“Focus”系列頭環(huán)，可以實現對人的注意力監(jiān)測。
“腦-機接口技術可以幫助學生，提高學習效率、提升注意力。”來自美國硅谷的教育機器人公司蘿卜太辣創(chuàng)始人兼CEO張堯說。
該技術還實現了用“思想”控制電子游戲，增加了電子游戲新的娛樂功能。相比傳統(tǒng)鼠標、鍵盤控制的電子游戲，顯著增加了游戲的娛樂效應。
此外，佛羅里達大學開展的腦控無人機相關技術，也逐漸應用于電子競技行業(yè)等。
在科學研究領域，世界各國都加大了對腦-機接口技術的研究。
近十年里，美國在腦-機接口領域發(fā)表的論文總數排名第一，我國位于第二位。
“腦語者”芯片取得突破
2019年，天津大學和中國電子信息產業(yè)集團合作研發(fā)了一款高集成腦-機交互芯片“腦語者”——擁有完全自主知識產權的國產芯片。
“‘腦語者’可應用于特種醫(yī)學、康復醫(yī)學、腦認知、神經反饋、信號處理等領域。”研究人員介紹。
“這款芯片能識別出頭皮腦電中極微弱的神經信息，高效計算解碼用戶操作指令”，天津大學醫(yī)學工程與轉化醫(yī)學研究院相關負責人介紹，“這將極大提升大腦與機器之間的通訊效率，滿足日常交流需求，讓腦-機交互設備真正成為使用者的‘第三只手’”。
“‘腦語者’有望為腦-機交互技術走向民用化、便攜化、可穿戴化及簡單易用化開辟道路。”這位負責人說。
據了解，“腦語者”芯片采用了一套高度集成的腦-機交互芯片架構，支持多通道神經信息采集、處理和交互。
“這款芯片實現了快通訊、精識別、高指令等目標。”研究人員對記者說。
針對腦-機交互的特殊需求，“這款芯片也提供腦電編碼接口、采集傳輸接口、解碼專速器等訂制化模塊”，研究人員介紹，“這就形成了一套完整的嵌入式腦-機接口開發(fā)平臺。”
目前還存技術瓶頸
專家表示，腦-機接口技術將經歷腦-機接口、腦-機交互和腦-機融合這三個發(fā)展階段。“當前，腦-機接口技術正由第一階段向第二階段發(fā)展過渡”，這位專家介紹，目前還存在四點技術瓶頸：傳感精度低、集成計算效率差、編解碼能力弱、互適應手段缺。
面對這些問題，天津大學的專家介紹，要在基礎原理與關鍵技術、系統(tǒng)集成與重大應用等方面實現突破。
具體而言，要促進腦-機傳感、腦-機編解碼、腦-機互適應等關鍵技術環(huán)節(jié)的理論創(chuàng)新與技術突破。
“要發(fā)展更穩(wěn)定更便攜的檢測電極，更高精度的傳感方式，還需要發(fā)展更深層次、更全方位、更高精度的讀腦技術。”天津大學的專家介紹。
他補充說，需要加強對腦-機接口專用計算芯片的研發(fā)投入，實現高集成度、便攜化、簡易化的腦-機接口系統(tǒng)。
穿上安全“防護服”
未來腦-機接口技術，將從目前腦-機單向接口，進化為腦-機雙向“交互”，最終實現腦-機完全智能“融合”。
在此基礎上，將發(fā)展出更先進的人-機混合智能技術，并組建由人腦與人腦及與智能機器之間，交互連接構成的新型人機智能網絡。
“這將徹底改變現有人類與智能機器之間的關系，為人類創(chuàng)造出前所未有的智能時代新生活。”天津大學的專家說。
然而在腦-機深度交互下，一些對于技術發(fā)展的擔憂也在慢慢出現。
“侵入式”腦-機接口技術，是否會由于植入電極造成腦部傷害?
“腦控”期間，是否會因為信息導入或者輸出錯誤，給腦部帶來傷害?
對于“非侵入式”腦-機接口技術，腦電波收集信息的無序管理和泛濫使用，是否涉及對個人隱私的侵犯?
“使用腦-機接口技術應首先遵循知情同意原則”，專家建議，“這項技術的使用必須是對人是有利的，不允許對他人、社會造成傷害”。
另外，在使用過程中還要遵循自主性原則。
以腦-機技術應用于治療為例，在任何治療過程中均應尊重患者的自主性，由患者決定是否治療、采取何種治療措施以及何時終止治療。
“應明確限定’讀腦‘的內容、時間，且’讀腦‘必須是以治療為目的。”天津大學的專家告訴記者。
“控腦”是為恢復大腦的功能、刺激大腦的發(fā)育而采取的治療措施，“只允許‘控腦’用于明確的臨床用途，且治療時間、內容、方法需有嚴格限制。”專家補充。
