人工智能下一个风口的“黑科技”：脑-机接口

■文/明 东 柯余峰 刘 爽 王仲朋

脑-机接口通过解码大脑信息，实现人脑与外界直接交流。从最初为残疾人提供对外交互途径到涉足军事航天、生活娱乐、工业控制等领域，脑-机接口现已成为脑科学研究、大脑认知机制解密、智能人机交互应用开发的全新“窗口”。

随着世界强国纷纷吹响探索大脑奥秘的号角，我国亦提出以解密大脑认知功能、攻克大脑神经疾病为科研导向和发展类脑人工智能技术为目标的“中国脑计划”。其中，脑-机接口（Brain-Computer Interface，BCI；或Brain-Machine Interface，BMI）的研究与开发是重要内容之一。BCI通过解码大脑活动信号获取思维信息，实现人脑与外界直接交流，其严格定义为“一个通过检测中枢神经系统（Central Nervous System，CNS）活动并将其转化为人工输出来替代、修复、增强、补充或改善CNS的正常输出，由此改变CNS与其内外环境之间持续交互作用的系统”。该定义突出了BCI替代、修复、增强、补充或改善CNS功能的关键作用，更强调了其在改变CNS传统对外交互机制、创造新型人机智能交互模式方面的重要意义。

BCI是脑认知神经科学与工程技术的一种新型交互结合方式，可以无须采用常规的肢体神经肌肉接触便能实现人与外界机器设备的思维信息交互、使“思想”变成“行动”，现已成为脑科学研究、大脑认知机制解密和智能人机交互应用开发的全新“窗口”。

国内外研究现状

早期BCI技术因其独特优势，应用主要面向残疾人群，替代或辅助其肢体运动功能，帮助其恢复生活能力。近十几年来，BCI技术快速拓展其应用领域，在军事、航天等特殊环境场合开始发挥不可替代的优势作用，这也是美国国防高级研究计划局（DARPA）等机构大力支持发展BCI技术的重要原因。以DARPA为代表的军事技术研究机构在BCI领域的投入持续增加，尤其在各国“脑计划”陆续启动之后，其热度上升得更为明显。

除高新科技、军事场景外，BCI系统应用在神经机制研究及有效性评价方面也具有显著优势，主要原因在于BCI对神经功能活动的测量和反馈使人脑运作过程变得可观察。为此，国外纷纷开展面向人脑信息解读与调控相关技术产品研发。例如，2017年4月Facebook公司创始人兼首席执行官马克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）在年度开发者大会上曝出其秘密的B8计划中开展的BCI研究。他们预期在18个月内研制出可每分钟输入100个字的脑控拼写器原型系统，最终实现意识控制一切。素有科学狂人之称的埃隆·马斯克（Elon Musk）在2017年初宣布创办全新的Neuralink公司，计划将在4年内开发出首个用于治疗脑部疾病的BCI产品，未来还将开发高生物相容性的植入神经接口，以实现人工智能植入人脑，取代人类的自然语言交流，实现颠覆性的智能人机交互。

相比欧美等发达国家，我国在BCI方面的研究虽起步稍晚，但得力于国家的大力支持，近年来发展势头良好、速度迅猛，也取得了长足的进步。无论在民用领域还是国防领域，BCI都显示出不俗的研究潜力，尤其在航天、康复等领域，我国涌现出了一批突出的BCI技术成果。例如，我国实现了目前世界上最快的视觉诱发BCI技术，创造了平均325比特/分钟的最高信息传输速率记录；实现了国际最大指令集的复合运动想象BCI技术，并率先应用于中风患者的临床康复；开展了国际首例航天在轨BCI的空间适用性测试及应用研究。清华大学、华南理工大学、国防科技大学、电子科技大学、浙江大学、上海交通大学、西安交通大学以及天津大学等在内的众多国内高校和研究机构，均在BCI基础技术和应用研究中取得了优异的成果。从总体上看，我国的BCI技术已与国际保持同步发展，部分领域甚至处于国际领先地位。

BCI应用领域扩展

BCI研究的初衷是为残疾人提供一个与外界进行交流的通信方式，从而实现利用思维操控轮椅、假肢等。随着人工智能控制技术的日益成熟及虚拟现实（Virtual reality，VR）、机械外骨骼（Exoskeleton，Exo）、经颅电磁刺激（Transcranial Electric/Magnetic Stimulation，TE/DS）等外设技术的产生与发展，人们对智能机器人的需求逐渐增加，BCI机器人的概念也应运而生，其应用范围不再局限于临床康复与辅助，而是扩展到工业控制、军事航天、生活娱乐等诸多领域，进一步凸显了人机智能交互的优越前景，不断为BCI技术领域乃至整个人工智能领域开辟全新格局。

●基于BCI的神经康复与接口控制应用

在神经康复或辅助医学领域，BCI机器人可以帮助肢体运动障碍患者提高生活质量。另外，BCI在脑外伤、肢体残疾、神经系统疾病等患者的康复和功能重建中也发挥着重要作用。例如，奥地利格拉茨科技大学应用BCI控制电刺激帮助瘫痪患者完成简单的喝水动作，这被认为是BCI应用于助残事业的里程碑事件。在2014年巴西世界杯开幕式上，一名腰部以下瘫痪的青年通过BCI控制外骨骼完成开球，轰动一时。天津大学神经工程团队于2014年研制成功全球首台适用于全肢体中风患者康复的人工神经机器人系统——“神工一号”。该系统融合了运动想象疗法和物理训练疗法，首先，在中风患者体外仿生构筑了一条完整的人工神经通路，通过模拟解码患者的运动意念信息，进而驱动多级神经肌肉电刺激技术产生对应动作，在康复训练的同时，促进患者受损脑区功能恢复以及体内神经通路的修复和重建。

●基于BCI的航天、军事、生活娱乐等应用

特殊环境作业：BCI特种机器人在危险或不适宜人工操作的环境中（航空航天等领域）显示出巨大的应用价值，它能够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。例如，2016年在我国天宫二号与神舟十一号载人飞行任务中，天津大学神经工程团队开发了航天员脑力负荷等神经工效测试技术及装置并在天宫二号空间站试验任务中实现应用，成功完成世界首次太空脑-机交互实验，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技术支撑。

特殊领域及前沿技术开发：BCI机器人有望实现无人驾驶或脑控操作一切的梦想，这不仅在军事领域意义重大，同时为全人类开辟了更广阔的活动空间。例如，美国佛罗里达大学开展的脑控无人机相关技术研发工作，以及前文提到的Facebook和Neuralink公司的未来发展规划等。

为电子游戏增加娱乐功能：用“思想”控制电子游戏是传统鼠标、键盘控制电子游戏的有益补充，会增加游戏的娱乐效应。BCI机器人是智能机器人的有力补充，有效的人机交互方式会提高智能机器人的智能化与灵活性。例如，Neurosky公司用他们的芯片推出名叫Star Wars Force Trainer的玩具，此后还陆续推出智能脑电玩具Mindflex、情绪猫耳Necomimi等。

以上应用范例预示未来将会有更多人性化、实用化、安全化的BCI应用成果步入人们的日常生活。

未来趋势

从近中期发展来看，BCI将主要围绕解决其现有技术瓶颈和提高解码信息维度两个方向发展，而长远发展趋势则是从目前脑-机单向“接口”进化为双向“交互”并最终实现“智能”融合。

近中期需攻克刺激范式依赖性难题，摆脱现有强视听觉刺激调制弊端（被动式、易疲劳），改用感觉意念（主动式、自然放松）、多模态（肌电、心率、血氧等多生理信号组合）诱发范式，实现高准确性、大指令集、快速无创的BCI采集技术；提高解码信息维度，即从现有低维度离散信息（一维或二维视听）解码扩展至更复杂（多组分、高维度）、更自然交互所需信息（视图、记忆、语言等高级思维）解码的BCI技术。除努力改进无创信号采集、处理技术之外，植入式BCI（将检测电极埋入大脑皮层组织内）因其所得皮层脑电信源优质而将成为一个重要的发展方向。这有赖于植入电极模式取得突破性改进。

从长远发展来看，现有BCI技术主要是单向解读大脑信息，尚难以达到建立起人脑智能与人工智能、生物智能与机器智能之间有机交互融合的最终目标。因此，BCI技术最重要的长远发展趋势将是从目前脑-机单向“接口”进化为脑-机双向“交互”并最终实现脑-机完全“智能”融合，将生物智能的模糊决策、纠错和快速学习能力与人工智能的快速、高精度计算及大规模、快速、准确的记忆与检索能力结合，从而发展为更先进的人工智能技术，并组建由人脑与智能机器之间交互连接构成的新型生物人工智能网络。这将彻底改变现有人类与智能机器之间的关系，为人类创造前所未有的智能信息时代新生活。

可以想见，未来，BCI将如现在的鼠标、键盘一样，普遍地应用于各种需要人机交互的场合。将BCI技术植入到人们日常随身携带的智能手机、可穿戴设备是必然的发展趋势。