腦控技術助機器人終極進化

劉勝

近日，美國神經(jīng)科學家正在加速完善腦機接口技術，一旦成功，科幻小說和現(xiàn)實之間的界限就將變得更加模糊了。融合了鋼鐵俠的盔甲、黑客帝國式的大腦數(shù)據(jù)、瓦肯人的心靈融合術般的機器人將變得觸手可及。

美國東北大學電子與計算機工程的副教授丹尼姿·愛多格穆茲如是說：“我覺得一切皆有可能。” 愛多格穆茲專門研究非侵入性腦機接口。他和同事正在開發(fā)一款由大腦控制的鍵盤以幫助語言障礙患者快速交流。愛多格穆茲說：“目前，我們還沒有達到斯波克的水平”，他還跟我們分享了一些最具潛力的腦控技術。

機器臂可以填補大腦和四肢之間連接阻隔的空缺。去年，研究團隊“腦門”（其中包括斯坦福大學的克里希納·謝諾伊和布朗大學的約翰·多諾霍）發(fā)明了一個精密機器臂，成功幫助麻痹癥女患者實現(xiàn)了動動腦就可以喝咖啡的愿望。另外，匹茲堡大學神經(jīng)生活學教授安德魯·施瓦茲和他團隊發(fā)明了一個叫做赫克托的機器臂，幫助病人靠思維就能吃奶酪。

今年初，英國的科學家為患者移植了世界上首只具備觸感的仿生手。在這只仿生手上，研究人員通過借助電極令仿生手與患者兩臂的神經(jīng)系統(tǒng)相連接，這樣就在患者與仿生手之間建立了雙向聯(lián)系，前者可以控制仿生手，后者則會像真實的手掌一樣將觸感傳遞回大腦。這是即可以按照大腦信號完成相應動作的仿生手技術之后，人類在腦控技術方面的又一大進步。

與此同時，杜克大學神經(jīng)工程學中心主任和醫(yī)師米格爾·尼克雷利斯領導的國際性“重走項目”更是雄心勃勃：目標是要發(fā)明全腦控的骨骼康復機器人。但是這樣強度的控制目前將需要外科手術的介入。愛多格穆茲說：“我猜想如果真想控制機器臂，例如像星際大戰(zhàn)中那樣給天行者盧克安裝機器臂，未來我們會選擇侵入性技術。”

愛多格穆茲表示，人們想制作像鋼鐵俠這樣腦控盔甲已經(jīng)有段時間了。事實上，制作這種盔甲主要是供醫(yī)療使用，其中包括幫麻痹癥患者恢復運動。

去年，非侵入性的“思想行者”骨骼康復機器人在比利時首次露面并且目前正在進行臨床試驗。骨骼康復機器人靠一個帶有輕便腦電圖生物傳感器的帽子工作。但是，最近“新科學家雜志”報道稱傳感器會干擾信號讀取。該項目團隊預計將在未來的五年中將“思想行者”商業(yè)化。

愛多格穆茲說：“如果可以，機器附屬體并不是人們最想要的。我有一位臨床拍檔天天接觸閉鎖癥患者，他說患者希望越獨立越好。他們最渴望的是與別人的交流。”

一些團隊正在改善機器以解碼大腦信號并且將其轉化為語音或文字。2009年，波斯頓大學的神經(jīng)科學家弗蘭克·岡瑟和他的團隊同神經(jīng)信號股份有限公司的菲兒·肯尼迪合作幫助一名閉鎖癥男性患者靠大腦發(fā)出了元音，此舉成了當天的頭條新聞。

去年，加利福尼亞大學伯克利分校的布萊恩·帕斯麗和同事展示了一種運算法則，解釋手術中患者發(fā)出的信號。該運算發(fā)展有助于治療癲癇和腫瘤。他們用其他程序重建了患者手術中的思維活動。雖然這種方法只能解析幾個字，但是離思維轉換器已經(jīng)不遠了。

隨著機器臂的越來越精密，人類也越來越自由。然而，用大腦控制機器臂同讓癱瘓的四肢恢復運動能力還是有區(qū)別的。

東北大學的神經(jīng)科學教授李·米勒和同事重新研究腦控機器臂。去年，他們首次展出了一款腦機接口。該接口繞開了脊髓，直接將信息從大腦傳到癱瘓者手上的肌肉。他們用癱瘓的猴子做實驗，解碼器可以讓猴子抓住并滾動球。愛多格穆茲說：“這是讓癱瘓病人恢復功能最自然也是最令人興奮的方式了。”

如果靠自己的力量沒法完成任務，也許腦控機器人可以幫上忙。華盛頓大學計算機科學和工程系教授拉杰什·勞和同事正在開發(fā)這種功能的接口。

勞的團隊研究了由機器人研究實驗室“柳樹車庫”制造的叫做霍布斯的類人PR2機器人。然后建立了一個系統(tǒng)，使得人們戴上電極帽就可以遠程監(jiān)控和控制霍布斯。讓他完成像從桌上選東西，舉起來并且拿到指定位置這樣的基本指令。

雖然該系統(tǒng)依賴于表層大腦信號，但是機器人還是成功完成了任務。 愛多格穆茲說：“我認為可以為那些不想顱錐的患者設計一款應用程序。如果可行，該應用程序的危險性要比顱錐小得多”。

明尼蘇達州大學生物醫(yī)學工程教授何斌和其所率領的團隊，首次研制出可以用意念控制的遠程遙控直升機。參與者坐在顯示直升機飛行畫面的屏幕前。他們的大腦信號利用腦電描記法記錄，通過wifi傳輸給直升機。何斌說：“我們的下一個目標是利用非侵入式腦波信號控制機械臂。為了實現(xiàn)這個目標，我們需要研發(fā)腦機界面。這種界面將讓癱瘓或者神經(jīng)退行性病變患者受益。”

愛多格穆茲說：“贊同侵入性腦機接口的研究學家認為用高度復雜的動力控制機器人，我們需要深入大腦。而贊同非侵入性腦機接口的人認為只用腦電圖描記器就可以做到了。愛多格穆茲提到了沃茲沃斯中心神經(jīng)損傷和修復實驗室的負責人喬納森·霍爾博所做的研究。其研究顯示就控制光標而言，腦電圖描記器同非侵入性技術一樣有效。

霍爾博研究的進展也啟示了企業(yè)家斯蒂芬·卡斯特羅。斯蒂芬以用開源軟件發(fā)明一款叫做“軌道”的腦控直升機而出名，將腦機接口推向了新的時代。

我們目前已經(jīng)實現(xiàn)了汽車的無人駕駛，那么科學家想方設法實現(xiàn)腦控汽車使其更加智能的做法就不足為奇了。2011年，德國柏林自由大學的研究人員演示了一款可以用駕駛員的腦電圖駕駛的汽車。但是駕駛員首先要進行心理訓練。

愛多格穆茲參考了加利福尼亞圣地亞哥斯沃茲計算神經(jīng)科學中心研究科學家和主任斯考特·麥基的研究。麥基的系統(tǒng)可以在駕駛員熟睡時予以警示。去年，麥基將新的輕便迷你腦電圖掃描器放入到頭盔中以監(jiān)控飛行員的精神狀態(tài)。“支持非侵入性的人將這種類型的接口稱之為消極腦機接口。這種接口變得越來越精確。” 愛多格穆茲如是說。

在從事思維——語言翻譯器研究之外，波斯頓大學弗蘭克·岡瑟還是一個叫做“解鎖”項目的成員。該項目的理念是：發(fā)明開源腦機接口以幫助閉鎖癥患者可以自如地控制家里所有東西。同其他腦機接口不同的是，這個解鎖項目采用的是非侵入性腦電圖。

愛多格穆茲宣稱他和他的團隊最近已經(jīng)與這個項目開始展開合作，研發(fā)出了像電腦文本輸入或者換電視頻道這樣的開源應用。

科學家將該技術稱之為“腦腦接口”，其效果同真正瓦肯人的心靈融合術類似。這個合作項目打頭陣的是杜克大學的米格爾·尼克賴利斯。

米格爾·尼科萊里斯今年做了一項實驗，通過把微芯片植入老鼠大腦中用于控制交流的部位實驗結果表明這對老鼠之間存在“行為協(xié)作”，它們能夠產生一種原始的“心靈反應”。尼科萊里斯稱，上述發(fā)現(xiàn)首次揭示了動物間的行為信息交流可以通過大腦信號而非其他常規(guī)方式實現(xiàn)。基于到目前為止取得的進步，尤其是由美國國防部預研局資助的研究取得的進步，愛多格穆茲認為心靈融合術有朝一日可以成為現(xiàn)實。他說：“我不會放棄。我確信未來人類可以想出解決之道。”