史上首個成功的非侵入式意念控制機械臂

頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》旗下的Science Robotics本月19號刊登了腦機接口（BCI）領(lǐng)域的一項突破成果。美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的賀斌教授帶領(lǐng)其研究團隊與明尼蘇達大學(xué)合作，成功開發(fā)出第一款非侵入式的意念控制機械臂，能夠連續(xù)跟蹤隨機運動的計算機光標。這項技術(shù)將幫助眾多癱瘓患者和運動障礙患者大大提升生活質(zhì)量，也有望為普通人群帶來廣泛的應(yīng)用。

用意識控制物體似乎一直是科幻電影中才會存在的超能力

其實，科學(xué)家們早已將這種超能力帶到了我們的現(xiàn)實生活中。不過，成功控制諸如機械臂之類設(shè)備的腦機接口技術(shù)都要通過手術(shù)在人的腦部植入電極、芯片等。

史上首個成功的非侵入式意念控制機械臂

現(xiàn)在，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CMU）生物醫(yī)學(xué)工程系教授賀斌團隊開發(fā)出了一種可與大腦無創(chuàng)連接的腦機接口，能讓人用意念控制機器臂連續(xù)、快速運動。

▲用戶使用BCI控制機械臂穩(wěn)定、連續(xù)跟隨移動的光標

據(jù)悉，在二維平面控制光標移動的傳統(tǒng)任務(wù)中，相比非侵入式BCI，這種新型的BCI學(xué)習(xí)效果提高了近60%。研究人員還開發(fā)了一個更接近現(xiàn)實使用的情境，也就是由用戶采用運動想象來連續(xù)追逐隨機移動的光標，這個任務(wù)的學(xué)習(xí)成績提高了5倍以上。

有創(chuàng)和無創(chuàng)的腦機接口

連接人腦和機器的其中重要一步是獲取電信號，主要分為有創(chuàng)和無創(chuàng)的腦機接口。

有創(chuàng)的腦機接口需要通過手術(shù)向頭部植入電極來實現(xiàn)腦電信號的獲取。這樣做的好處就是可以直接從大腦皮層獲取信息，可以避免神經(jīng)信號因為遠距離傳輸而衰減，通過這種技術(shù)記錄到的信號具有極高的信噪比和良好的分辨率。

目前已經(jīng)證實從腦植入電極感測到的信號來控制機器人設(shè)備的良好性能。

但是問題也很明顯，首先就是植入手術(shù)過程中具有潛在的風(fēng)險，其次，電極也很難精確的植入到對應(yīng)的腦區(qū)，隨著時間的推移，電極也會被疤痕組織覆蓋，這樣神經(jīng)信號就會大幅衰弱，需要重新植入。

無創(chuàng)腦機接口則不需要手術(shù)，直接從人的頭皮表面記錄神經(jīng)信號，這種方式對人體損害小，而且相較于有創(chuàng)腦機接口，人類可以節(jié)省大量的訓(xùn)練時間。

這種方式的問題也很明顯，由于是在腦外，獲得的神經(jīng)信號更容易受到噪聲的干擾，在強度上也遠不如有創(chuàng)腦機接口。這是無創(chuàng)腦機接口急需解決的問題。

新成果的重要價值

這一次卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和明尼蘇達大學(xué)的研究人員正是在無創(chuàng)腦機接口領(lǐng)域獲得了突破性的進展。通過使用新穎的傳感和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，研究人員的設(shè)備能夠訪問大腦深處的信號，實現(xiàn)對機器人手臂的高分辨率控制。通過無創(chuàng)神經(jīng)影像學(xué)和一種新穎的連續(xù)追蹤范式，克服了嘈雜的腦電信號，從而顯著改善了基于腦電圖的神經(jīng)解碼，并促進了實時連續(xù)的2-D機器人設(shè)備控制。

迄今為止，這項技術(shù)已經(jīng)在68名身體健全的人體受試者身上進行了測試（每個受試者最多10次），包括虛擬設(shè)備控制和機器人臂的控制，以便持續(xù)追蹤。同時，這項技術(shù)可直接適用于患者，團隊計劃在不久的將來進行臨床試驗。

科幻終將成為現(xiàn)實

關(guān)注過《挑戰(zhàn)不可能》的朋友，可能記得一名特殊的漸凍癥患者——王甲。他正是使用了來自清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院神經(jīng)工程團隊帶來的無創(chuàng)腦機接口才完成了不可能的挑戰(zhàn)。

王甲由于患上“漸凍癥”，失去了幾乎所有運動的機能，清華大學(xué)的神經(jīng)工程團隊為王甲打造了一款無創(chuàng)腦機接口打字系統(tǒng)，通過對視覺神經(jīng)信號的解碼來完成打字的任務(wù)。這重新建立了王甲和這個世界的聯(lián)系。

事實上，目前的腦機接口技術(shù)主要的目標人群是像王甲一樣的殘疾人，為他們盡可能的恢復(fù)與這個世界的聯(lián)系。

在未來，腦機接口技術(shù)也會走向普通大眾，擺脫各種操作面板、鼠標、鍵盤，通過人的思維來直接控制計算機和機器，這肯定是腦機接口未來發(fā)展的方向。正如卡內(nèi)基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系主任賀斌教授所說的：“這項技術(shù)有朝一日可能成為幫助每個人的普遍輔助技術(shù)，就像智能手機一樣?！?/p>