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一頂神奇帽子讓你“心想事成” 腦機互聯用“意念”開車不再是夢

2019-10-25 13:54 編輯:TF003 來源:北京晚報

在日常生活中,人們通過動作、語言實現相互交流。有沒有一種可能,讓人們略過表達過程直接通過腦電波進行交流呢?當然可以!在清華大學醫學院的神經工程實驗室里,教授高上凱和高小榕帶領團隊已經做了20年的腦機接口研究,讓“意念操控”成為現實。腦機接口技術可以通過實時記錄大腦活動,把其中攜帶的信息“解讀”出來,變成計算機也能明白的指令。記者日前探訪了該實驗室,揭秘腦機互聯是如何“心想事成”的。

高小榕正在指導學生開展腦機交互研究。

探訪 神奇帽子

解讀“意念”

顧名思義,腦機接口技術是一種在大腦和計算機之間建立直接聯系的技術,不需要外周神經肌肉組織參與。

在清華大學醫學院神經工程實驗室里,一名學生戴上了一頂奇特的帽子,上面密密麻麻地分布著各種傳感器。只見他目不轉睛地盯著眼前的電腦屏幕,上面一張張字母卡片在不斷閃爍。

高小榕教授介紹,人類的大腦時時刻刻都在活動,伴隨大腦神經活動的腦電波信號也在這一過程中不斷產生。如何獲取這些腦電信號,并與計算機系統相連接進而讀取信息是關鍵。目前主要通過兩種方式進行研究,一種是侵入式腦機接口,即通過開顱手術直接在大腦皮層植入電極來記錄腦活動。這種方式可以直接監測到大腦皮層的活動,但因為安全性和手術創傷等問題,目前還處于實驗室探索階段。另一種就是現場學生們正在開展的非侵入式腦機接口。它只需要像戴帽子一樣佩戴上腦電采集帽就可以實現。“這種方式的弱點也顯而易見。畢竟我們讀取的腦電是透過厚厚的顱骨傳遞出來的,信號質量要差一些,因此準確解讀這些腦電信號的算法就變得尤為重要。”高小榕說。

1999年高小榕就開始做腦機接口的研究,到今年已經整整20年了。他帶領團隊首先提出了穩態視覺誘發電位腦機接口,大大提升了“意念控制”的準確率。

如何理解這種大腦與計算機互通的原理呢?高小榕說,大腦神經電信號存在跟隨效應,如果以一定規律對人施加外部刺激,例如讓人看一個每秒閃爍15次的小方塊,就會發現從頭皮上記錄到的腦信號也具有對應的規律,每秒起伏15次。所以,如果給人呈現以不同規律閃爍的小方塊,并給它們預先設計好不同的含義,那通過分析腦信號的規律,就可以知道人在看哪個方塊,想要輸入哪種指令。

應用1

“漸凍癥”患者能重新“開口”了

在今年夏天舉行的世界機器人大會上,有一場特殊的腦控打字記錄挑戰賽備受關注。賽場上,選手們戴著特殊的“頭盔”緊盯電腦屏幕,用“意念打字”展開比拼。最終來自天津大學的魏斯文以每分鐘691.55比特的理想信息傳輸率獲得冠軍。作為大賽的專家組副組長,高小榕告訴記者,參賽選手采用的就是非侵入腦機互聯方式,魏斯文當時的成績相當于在100%準確率下以0.413秒輸出一個英文字母。這個速度已經高度接近我們日常使用手機進行文本輸入,“已經非常了不起!”他說。

利用腦機接口進行信息交互,在康復領域也大有可為。今年,高小榕團隊的研究成果就讓一位“漸凍癥”患者重新“開口”與家人交流。平面設計師王甲是一名“漸凍癥”患者,過去的他熱愛運動,英俊陽光。但隨著病魔侵襲,王甲失去了生活自理能力,無法站立,不能移動手腳,甚至無法說話,只有眼球會動。“其實他能聽,能思考,但就是無法表達,很痛苦。”高小榕說,通過與王甲家人溝通,團隊針對王甲的生理特點,開發了最適合他的腦機接口算法。

投入使用的那天,研究團隊早早來到王甲的家中,幫王甲洗干凈頭發,戴上“頭盔”。開機打開程序后,王甲緊盯著屏幕的一個個字符,眼球不時輕輕轉動,隨后神奇的一幕發生了:屏幕上跳出一個“擦”字。王甲的父母首先讀懂了這個字的含義,馬上幫他擦凈嘴角的口水。緊跟著,屏幕上又跳出一句話:感謝大家的關心!王甲的父母激動地流下了淚水,“以后終于能跟孩子交流了!”

應用2

智能機器人替人“跑腿兒”

在不久前舉行的北京地區廣受關注學術論文報告會(生物醫學工程)專場中,高小榕又向大家展示了另一個神奇的研究領域:基于小腿表面肌電的智能機器人協同控制方法。通俗地理解就是:通過捕捉肌肉的電信號,讓機器人替腿干活兒。“這樣又能大大改善一大批行動障礙群體的生活質量。”高小榕說。

2014年,高小榕團隊接受了一家國內頂尖科技民營企業的邀請,開始帶隊攻堅,目標是通過采集肌肉電信號,解讀人的步態。以此開發的智能設備既可以預警老年人的跌倒問題,也可以研發智能假肢、智能輪椅等,通過判斷用戶腿部肌肉信號,智能識別用戶的行動意愿,驅動雙腿或者輪椅前行、后退。肌肉電信號是一種電生理信號,通過計算機從相應的骨骼肌對應的體表上獲取,因為沒有了顱骨等阻礙,采集起來比腦電信號容易的多,信號可靠,易于辨識。但研發過程中也存在疲勞速度快、信號不穩等困難。高小榕帶著團隊學生做了大量的努力,終于獲得成功。

這套人機交互系統通過肌電采集模塊采集受試行走中的肌電信號,將其放大采集后通過藍牙通訊送入模式識別模塊;模式識別分析模塊再對信號進行處理,發送給機器人控制模塊,實現對智能機器人的控制。實驗顯示,8位受試者在實時交互控制中,分別執行前進、后退、左轉、右轉4種步態各320次。所有實驗的機器人識別率均高達80%以上,其中前進、后退的識別率高達90%以上。

前景

用意念打電話開車

不再是夢

高小榕說,傳統的人機交互是手為主,比如敲擊鍵盤、點擊鼠標,或者觸摸電子屏幕。近年來隨著人工智能的發展,又陸續出現了通過語音、視頻圖像(人臉識別)等方式進行人機交互。未來,腦機交互將逐漸登上主舞臺,“我們可以用意念來實現打電話,收發短信,甚至開車。”此外,腦機交互在個人隱私保護方面也將大有可為。因為指紋乃至人眼虹膜,都是可以復制的,但人的腦電波肯定無法復制。

高小榕說,今年的腦控打字記錄未來會很快被打破。按照摩爾定律,計算機性能每18個月會提升一倍。腦機交互的效率也會由此提升。他們做過測算,10年后,腦機交互的速率有可能提升4倍以上。到那時,用“意念交流”速度將不是問題。

“看似玄幻,難以相信,但很多研究就是從科幻走到科學,然后走到技術應用。腦機交互,已經走向技術應用了。”高小榕團隊面向未來的研究也早已鋪開。他們正在研發的腦電采集設備將不再是一頂略顯丑陋的帽子,而是精致美觀的耳機,采集到的腦電波信號將實現無線高速傳輸,幫人類自由掌控各類穿戴智能設備、家居設備、汽車……

記者了解到,目前國內清華大學、華南理工大學、國防科學技術大學、天津大學、浙江大學、西安交通大學、華東理工大學等諸多大學和研究機構都在涉足腦機接口的研究,并且成果頗豐。我國在腦機接口研究領域發表的論文數量僅次于美國,排名第二。全球該領域25篇高引論文中有9篇來自中國。在腦機接口的應用方面, 華南理工大學在100余例嚴重癱瘓病人上進行了臨床試用,天津大學在天宮二號上成功實現了人類首次太空腦機接口實驗。

(原標題:一頂神奇帽子讓你“心想事成”

科幻技術走向應用 腦機互聯用“意念”開車不再是夢)

來源 北京晚報 記者 張航文并攝

流程編輯 TF003

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