随“心”所动!用意念控制的黑科技来了

心随所想。天津大学医学部的白色小楼中,墙上的大屏幕显示着“欢迎来到医学部,你们是今天上午第五拨参观者。”佩戴着电极帽的志愿者静默无声,墙上的字是他的心声。这段文字同样可以发送给千里之外的接受者。

随心所动。在手臂上贴上几个电极片,心里默念“出拳”,手臂不自觉地真的打出一拳。这项技术成为瘫痪病人的福音。

▲实验者用意念打字。天津大学供图

新年伊始,在天津大学医学部,一场“黑科技”展悄然举行。这种“黑科技”捕捉人脑发出的脑电信息,经过解读、处理,转变为控制机器的信号。这个展览就是国家重点研发计划“智能机器人”重点专项“生-机智能交互与生机电一体化机器人技术”样机展示会。

瘫痪者的福音

5年前,当自己的左腿在意念的控制下终于“踢”出去的时候,77岁的脑中风患者郑桂荣惊喜地发现,自己“瘫”了8个月的腿,竟然又“听使唤”了:“心思一动,腿就可以开始抬起来了。”

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。经过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。

全球首款脑机接口专用芯片“脑语者”研发团队领导者、天津大学医学工程与转化医学研究院院长明东介绍:“大脑是宇宙中最复杂的系统之一,不但有极为复杂的神经网络结构,还有千变万化的动态信息。每说一句话,大脑里都可能有上亿个神经细胞在不断发放电脉冲。一台高速运转的电脑正在将大脑的信号接收下来、解读出来。利用脑-机接口技术实现的医疗康复,正在改变人们的生活。

2014年天津大学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。随着“神工二号”“神工三号”相继研发成功,目前,“神工”已经在天津、山东多地三甲医院进行临床试验,为数千名患者带来新的治疗手段

意念的交流

2016年,天宫二号和神舟十一号载人飞行中,两位航天员完成了一项颇具科幻色彩的前瞻性实验:人类历史上首次太空脑—机交互,实现了静默的交流。这套实验系统研制正是由明东团队与中国航天员中心合作完成。

这是国际上首次在轨进行脑-机交互技术空间适应性测试。该系统通过大量地基实验深入揭示失重、噪声、情绪等对脑电影响,实现了高识别度、高稳定性、适于空间环境的脑-机接口自适应分类技术;建立了针对航天特征的实验策略和训练方法,大幅提高系统识别正确率,为有效开展天地差异对比建立稳定基线。人机融合将是未来航天医学与人因工程发展的必然趋势,脑-机接口为航天员等特殊人群提供肢体约束环境下的“第三只手”和神经功能层面融合的自适应自动化人机协作,帮助他们完成更多更复杂的工作任务。该系统的建立和成功测试将为未来深入开展先进交互技术在轨适应性研究和技术应用起到重要推动作用,为我国载人航天工程的新一代医学与人因保障系统提供了关键科学依据与技术支撑。

图片来源:浙大二院

明东介绍:“上天设备既要照顾到荷载限制,又要在太空全部完成主动式、被动式、反应式3种主流范式的任务,系统要求重量小、性能高、更集约。”考虑把功能更强大的脑-机编解码集成芯片作为研究方向。

世界各国都加大了对脑-机接口技术的研究,从军事航天到生活娱乐,脑-机接口技术应用前景广阔。脑科学时代正在走来。

把未来抓在自己手中

脑-机接口一直被列为美国最优先支持发展的颠覆性创新技术之一,也是美国商务部14项出口管制技术之一。

“目前在我国的脑—机接口技术研究中,在脑电采集和数据处理两大核心环节上,我们还都依赖于进口脑电采集前端芯片和高性能处理器。”明东表示,“受脑电采集方式、计算设备等限制,当前脑-机接口技术在解码可靠性、使用便捷性等方面仍面临巨大挑战。开发一款自主可控的脑-机接口专用芯片迫在眉睫。”

2019年5月,在第三届世界智能大会上全球首款脑机接口专用芯片“脑语者”在第三届世界智能大会正式发布。由天津大学和中国电子信息产业集团联合研发的脑语者,拥有完全自主知识产权。

精解码、高指令、快通信、强交互,这是‘脑语者’的四大优势。”据明东介绍,“该芯片可以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,极大提升大脑与机器之间的通信效率,拓展功能充分满足日常交流需求,让脑-机交互设备真正成为使用者的‘第三只手’。”

“将来,‘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。那样就可以使患者能够在社区和家庭完成康复治疗。” 明东说,“而在该款芯片民用化的问题上,研究人员已经进行了一些思考和尝试。”

中国电子信息产业集团数据科学家、中电云脑科技有限公司总经理程龙龙也表示,“脑语者”系列芯片有望实现我国脑-机接口关键技术自主可控,引领我国脑科学和类脑智能研究变道超车。未来该芯片系列还将不断“进化”,为新一代脑机智能发展提供技术支撑。

(光明日报记者刘茜、陈建强,通讯员赵晖)

来源:《光明日报》2020年1月18日、东大街5号、新华社

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