脑机接口，不只是“意念打字”

宋瑞　张建新

在2009年的热播电影里，前海军战士能用“意念控制”阿凡达;近日，四肢瘫痪了30年的罗伯特在约翰斯·霍普金斯大学医学院向全世界展示了“意念控制”机械臂给自己喂食蛋糕。

如果可以实现“意念控制”，你最想用来做什么？

“人脑控制”“人机互联”等出现在科幻大片中的场景正在成为现实，而这背后的科技便是“脑机接口”。

受试者只需佩戴可测量脑电波的脑电极帽，并想象移动手臂，就可以让与电脑系统相连的机器臂随意念而动，在纸张上一笔一画地写出“福”字。

脑机接口技术（BCI），被誉为人脑与外界沟通交流的“信息高速公路”，是在人脑和计算机或其他电子设备之间，建立不依赖于常规大脑信息输出通路的全新技术。

“我们在大脑里的想法，通常是通过神经外周组织或者肌肉组织表达出来，而脑机接口技术则是绕过这样的正常通路，在大脑和计算机之间直接建立联系。”天津脑科学中心主任助理、天津大学医学工程与转化医学研究院副教授许敏鹏接受《瞭望东方周刊》采访时说。

研制出“神工”系列人工神经康复机器人系统;与中国航天员训练中心合作开展国际首次在轨脑机交互实验;开发出基于极微弱事件相关电位的新型脑机接口系统，实现对迄今为止最微弱的脑电控制信号进行准确识别与高效应用……自2014年以来，许敏鹏所在的天津大学神经工程团队不断探寻着人机交互的“无限可能”。

从“意念打字”到“脑控无人机”

在天津大学医学工程与转化医学研究院实验室，一名男生佩戴着布满灵敏电极的脑电极帽，紧盯电脑屏幕，无需双手操作，正通过“意念”控制着无人机穿越两处环形指定区域，实现了对无人机连续、实时、稳定的控制。

这套脑控无人机系统是天津大学神经工程团队于2020年1月研发出来的，包括空间六向、起飞、降落、顺逆时针旋转、悬停和状态保持等12个系统指令，首次实现了利用脑机接口对无人机的前后、左右、上下，以及顺逆时针旋转等4个自由度的连续控制。

“脑控无人机系统在人机交互领域有广泛的应用前景，例如可与增强现实或虚拟现实技术相结合，摆脱目前BCI系统对屏幕的依赖，实现基于周围环境的沉浸式操作，用于远程的目标搜索、环境巡查、异常监控等场景。”许敏鹏介绍。

在此之前，该团队就曾解决脑机接口指令数量与编解码速度之间相互制约的难题，突破脑机百指令编解码大关，实现了108个指令的“意念写字”和“意念打字”。

2019年1月，天津大学的毕业生收到一份特殊的礼物——一份通过“意念”书写的“福”字，这便是由许敏鹏所在团队完成并实现的。受试者只需佩戴可测量脑电波的脑电极帽，并想象移动手臂，就可以让与电脑系统相连的机器臂随意念而动，在纸张上一笔一画地写出“福”字。

此外，该团队利用脑机接口技术帮助人们越过键盘打字环节，用“意念”解码输出汉字、字符。经过训练的受试者可做到通过布满字符的虚拟键盘，在无需双手操作的情况下，实现超过普通人用触屏手机打字的速度。

许敏鹏向本刊记者介绍，实现脑机接口的路径主要分为“非侵入式”和“侵入式”。天津大学神经工程团队的研究对象主要为前者，即通过可穿戴的脑电波检测设备获取脑电信号，此采集方式对人体无伤害，但由于头骨的屏障作用，采集到的脑信号相对较弱且不稳定。

而“侵入式”脑机接口技术则是通过将电极植入到大脑内部，直接提取神经信号，因此具有较高的信号质量，但存在生物相容性等问题，且电极周围微环境的变化对信号质量带来严重影响，不利于长时间采集。目前，国外有关研究人员采用此技术将电极植入患者大脑，实现对机械臂等设备的简单操控，并完成了简单喝水或抓握等动作。

专注于研究“侵入式”脑机接口技术的代表性企业是美国硅谷企业家埃隆·马斯克所创立的脑机交互技术公司“神经连接”（Neuralink）。

2020年8月28日，马斯克在线直播展示了大脑被植入脑机接口设备的小猪，其脑部活动信号可以被实时读取。当工作人员给小猪喂养食物并进行触碰时，所采集的小猪大脑信号显示其处于活跃状态，而通过进一步分析其脑电信号，可以预测小猪的运动步伐和模式。

这枚植入小猪大脑名为“Link”的设备约为硬币大小，可通过蓝牙连接智能手机，电池续航时间为一整天。实验的成功意味着向利用植入设备来治疗颈脊髓损伤等严重神经疾病又迈进了一步。

助脑卒中患者康复

脑卒中患者徐宝钏已经可以在辽宁大连的家中自行扶着把手上下楼，这让他对康复更有信心。“2019年，我因患脑出血导致身体左侧偏瘫，手腕、脚踝关节都无法正常活动。”徐宝钏说。经历一系列理疗、针灸、按摩等传统肢体康复训练后，一直效果不理想。

2020年5月，他来到天津大学天津医院康復科，接受基于脑机接口技术的康复训练。

在医生的帮助下佩戴好脑电极帽，在手臂处、小腿处贴上电极，徐宝钏根据电脑提示，想象腕关节、踝关节需要做的动作。脑电极帽接收到脑电波后，手臂电极处产生相应电流，激发腕关节、踝关节的活动，进行功能康复训练。经过十余次治疗，他在摘除脑电极帽后已经能自行进行腕关节背伸、踝关节背屈等运动。

该医院康复科副主任医师李奇说，2019年7月，天津医院将 “神工二号” 人工神经康复机器人系统应用于神经康复治疗的临床实验中。该系统在患者体外，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。

一年多来，医院接收了40余例脑卒中、周围神经损伤患者，治疗效果都有明显提升。

“患者在运动康复训练的同时，该系统能促进患者受损脑区功能恢复、修复，并具有重建体内神经通路的可塑性。” 李奇补充道。

徐宝钏说：“现在我上下肢都有感觉了，心态上更有自信了。我期盼着这项技术能够尽快在医疗康复领域正式使用，为更多脑卒中患者带来希望。”

如今，“神工”系列人工神经康复机器人系统在天津多家三甲医院开展脑机接口技术康复训练临床试验，很多患者的状况都有明显改善。

天津大学神经工程团队成员刘源对《瞭望东方周刊》记者表示，团队正在研发“神工三号”人工神经康复机器人，在技术和适用性等方面进一步革新。

“试想，未来宇航员在头部佩戴上微型脑机接口装置后，仅需在空间站‘意念一动，机器人便会根据指令要求进行空间探测、技术维护等太空操作，这将多么美好。”

据介绍，新装配的脑控机械外骨骼模块与功能性电刺激模块形成良好的互补作用，为脑卒中患者的脑-机-体主动交互康复训练提供稳定的外部支撑力，能确保康复过程尤其是下肢康复的安全性与可靠性。

“我们目标是将‘神工设计成体积更小的可穿戴便携设备，不仅辅助病人完成更多复杂而精细的肢体动作，还可以实时读取大脑激活状态，从而及时调整康复训练模式。”刘源说。

人类首次太空脑机交互

脑机接口技术既能“脚踏实地”，帮助患者进行康复训练;也能“仰望星空”，为人类“解锁深空”带来更多可能。

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联合中国航天员中心成功开展了人类历史上首次太空脑机交互实验。

“两名航天员在太空中先后进行了P300、稳态视觉诱发电位、运动想象三类经典范式的实验，通过高度个人定制化的模型，实现了对航天员意念的实时识别。” 许敏鹏告诉本刊记者，在太空环境中，航天员完成看似简单的任务都会受到极大限制，脑机交互让航天员多了一只手，能减轻其作业负荷。

该团队通过大量地基实验深入揭示了失重、噪声、情绪等对脑电的影响，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。

此外，他们还建立了针对航天特征的實验策略和训练方法，大幅提高了系统识别正确率，为有效开展外太空和地球之间的差异对比建立稳定基线。这将对我国后续深入开展人-智能机器人联合深空探测起到重要推动作用。

由于上天设备要求重量小、性能高、更集约，2019年，该团队与中国电子信息产业集团合作研发了一款高集成脑机交互芯片“脑语者”，值得注意的是，这是拥有完全自主知识产权的国产芯片。

“这款芯片能快速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。这将大幅提升大脑与机器之间的通讯效率。”许敏鹏向本刊记者介绍。

“脑语者”的研制成功，给人类探索太空带来了更多可能。目前，团队联合中国电子信息产业集团正在研发更低功耗、更高集成度的“脑语者2.0”芯片，该芯片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。

“试想，未来宇航员在头部佩戴上微型脑机接口装置后，仅需在空间站‘意念一动，机器人便会根据指令要求进行空间探测、技术维护等太空操作，这将多么美好。” 许敏鹏笑着表示，未来，脑机接口技术的应用场景会更加丰富，逐步“飞入寻常百姓家”，与人类生活密不可分。