人工智能下一個風口的“黑科技”：腦-機接口

■文/明 東 柯余峰 劉 爽 王仲朋

腦-機接口通過解碼大腦信息，實現人腦與外界直接交流。從最初為殘疾人提供對外交互途徑到涉足軍事航天、生活娛樂、工業控制等領域，腦-機接口現已成為腦科學研究、大腦認知機制解密、智能人機交互應用開發的全新“窗口”。

隨著世界強國紛紛吹響探索大腦奧秘的號角，我國亦提出以解密大腦認知功能、攻克大腦神經疾病為科研導向和發展類腦人工智能技術為目標的“中國腦計劃”。其中，腦-機接口（Brain-Computer Interface，BCI；或Brain-Machine Interface，BMI）的研究與開發是重要內容之一。BCI通過解碼大腦活動信號獲取思維信息，實現人腦與外界直接交流，其嚴格定義為“一個通過檢測中樞神經系統（Central Nervous System，CNS）活動并將其轉化為人工輸出來替代、修復、增強、補充或改善CNS的正常輸出，由此改變CNS與其內外環境之間持續交互作用的系統”。該定義突出了BCI替代、修復、增強、補充或改善CNS功能的關鍵作用，更強調了其在改變CNS傳統對外交互機制、創造新型人機智能交互模式方面的重要意義。

BCI是腦認知神經科學與工程技術的一種新型交互結合方式，可以無須采用常規的肢體神經肌肉接觸便能實現人與外界機器設備的思維信息交互、使“思想”變成“行動”，現已成為腦科學研究、大腦認知機制解密和智能人機交互應用開發的全新“窗口”。

國內外研究現狀

早期BCI技術因其獨特優勢，應用主要面向殘疾人群，替代或輔助其肢體運動功能，幫助其恢復生活能力。近十幾年來，BCI技術快速拓展其應用領域，在軍事、航天等特殊環境場合開始發揮不可替代的優勢作用，這也是美國國防高級研究計劃局（DARPA）等機構大力支持發展BCI技術的重要原因。以DARPA為代表的軍事技術研究機構在BCI領域的投入持續增加，尤其在各國“腦計劃”陸續啟動之后，其熱度上升得更為明顯。

除高新科技、軍事場景外，BCI系統應用在神經機制研究及有效性評價方面也具有顯著優勢，主要原因在于BCI對神經功能活動的測量和反饋使人腦運作過程變得可觀察。為此，國外紛紛開展面向人腦信息解讀與調控相關技術產品研發。例如，2017年4月Facebook公司創始人兼首席執行官馬克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）在年度開發者大會上曝出其秘密的B8計劃中開展的BCI研究。他們預期在18個月內研制出可每分鐘輸入100個字的腦控拼寫器原型系統，最終實現意識控制一切。素有科學狂人之稱的埃隆·馬斯克（Elon Musk）在2017年初宣布創辦全新的Neuralink公司，計劃將在4年內開發出首個用于治療腦部疾病的BCI產品，未來還將開發高生物相容性的植入神經接口，以實現人工智能植入人腦，取代人類的自然語言交流，實現顛覆性的智能人機交互。

相比歐美等發達國家，我國在BCI方面的研究雖起步稍晚，但得力于國家的大力支持，近年來發展勢頭良好、速度迅猛，也取得了長足的進步。無論在民用領域還是國防領域，BCI都顯示出不俗的研究潛力，尤其在航天、康復等領域，我國涌現出了一批突出的BCI技術成果。例如，我國實現了目前世界上最快的視覺誘發BCI技術，創造了平均325比特/分鐘的最高信息傳輸速率記錄；實現了國際最大指令集的復合運動想象BCI技術，并率先應用于中風患者的臨床康復；開展了國際首例航天在軌BCI的空間適用性測試及應用研究。清華大學、華南理工大學、國防科技大學、電子科技大學、浙江大學、上海交通大學、西安交通大學以及天津大學等在內的眾多國內高校和研究機構，均在BCI基礎技術和應用研究中取得了優異的成果。從總體上看，我國的BCI技術已與國際保持同步發展，部分領域甚至處于國際領先地位。

BCI應用領域擴展

BCI研究的初衷是為殘疾人提供一個與外界進行交流的通信方式，從而實現利用思維操控輪椅、假肢等。隨著人工智能控制技術的日益成熟及虛擬現實（Virtual reality，VR）、機械外骨骼（Exoskeleton，Exo）、經顱電磁刺激（Transcranial Electric/Magnetic Stimulation，TE/DS）等外設技術的產生與發展，人們對智能機器人的需求逐漸增加，BCI機器人的概念也應運而生，其應用范圍不再局限于臨床康復與輔助，而是擴展到工業控制、軍事航天、生活娛樂等諸多領域，進一步凸顯了人機智能交互的優越前景，不斷為BCI技術領域乃至整個人工智能領域開辟全新格局。

●基于BCI的神經康復與接口控制應用

在神經康復或輔助醫學領域，BCI機器人可以幫助肢體運動障礙患者提高生活質量。另外，BCI在腦外傷、肢體殘疾、神經系統疾病等患者的康復和功能重建中也發揮著重要作用。例如，奧地利格拉茨科技大學應用BCI控制電刺激幫助癱瘓患者完成簡單的喝水動作，這被認為是BCI應用于助殘事業的里程碑事件。在2014年巴西世界杯開幕式上，一名腰部以下癱瘓的青年通過BCI控制外骨骼完成開球，轟動一時。天津大學神經工程團隊于2014年研制成功全球首臺適用于全肢體中風患者康復的人工神經機器人系統——“神工一號”。該系統融合了運動想象療法和物理訓練療法，首先，在中風患者體外仿生構筑了一條完整的人工神經通路，通過模擬解碼患者的運動意念信息，進而驅動多級神經肌肉電刺激技術產生對應動作，在康復訓練的同時，促進患者受損腦區功能恢復以及體內神經通路的修復和重建。

●基于BCI的航天、軍事、生活娛樂等應用

特殊環境作業：BCI特種機器人在危險或不適宜人工操作的環境中（航空航天等領域）顯示出巨大的應用價值，它能夠為航天員等特殊人群提供肢體約束環境下的“第三只手”和神經功能層面融合的自適應、自動化人機協作，幫助他們完成更多更復雜的工作任務。例如，2016年在我國天宮二號與神舟十一號載人飛行任務中，天津大學神經工程團隊開發了航天員腦力負荷等神經工效測試技術及裝置并在天宮二號空間站試驗任務中實現應用，成功完成世界首次太空腦-機交互實驗，為我國載人航天工程的新一代醫學與人因保障系統提供了關鍵技術支撐。

特殊領域及前沿技術開發：BCI機器人有望實現無人駕駛或腦控操作一切的夢想，這不僅在軍事領域意義重大，同時為全人類開辟了更廣闊的活動空間。例如，美國佛羅里達大學開展的腦控無人機相關技術研發工作，以及前文提到的Facebook和Neuralink公司的未來發展規劃等。

為電子游戲增加娛樂功能：用“思想”控制電子游戲是傳統鼠標、鍵盤控制電子游戲的有益補充，會增加游戲的娛樂效應。BCI機器人是智能機器人的有力補充，有效的人機交互方式會提高智能機器人的智能化與靈活性。例如，Neurosky公司用他們的芯片推出名叫Star Wars Force Trainer的玩具，此后還陸續推出智能腦電玩具Mindflex、情緒貓耳Necomimi等。

以上應用范例預示未來將會有更多人性化、實用化、安全化的BCI應用成果步入人們的日常生活。

未來趨勢

從近中期發展來看，BCI將主要圍繞解決其現有技術瓶頸和提高解碼信息維度兩個方向發展，而長遠發展趨勢則是從目前腦-機單向“接口”進化為雙向“交互”并最終實現“智能”融合。

近中期需攻克刺激范式依賴性難題，擺脫現有強視聽覺刺激調制弊端（被動式、易疲勞），改用感覺意念（主動式、自然放松）、多模態（肌電、心率、血氧等多生理信號組合）誘發范式，實現高準確性、大指令集、快速無創的BCI采集技術；提高解碼信息維度，即從現有低維度離散信息（一維或二維視聽）解碼擴展至更復雜（多組分、高維度）、更自然交互所需信息（視圖、記憶、語言等高級思維）解碼的BCI技術。除努力改進無創信號采集、處理技術之外，植入式BCI（將檢測電極埋入大腦皮層組織內）因其所得皮層腦電信源優質而將成為一個重要的發展方向。這有賴于植入電極模式取得突破性改進。

從長遠發展來看，現有BCI技術主要是單向解讀大腦信息，尚難以達到建立起人腦智能與人工智能、生物智能與機器智能之間有機交互融合的最終目標。因此，BCI技術最重要的長遠發展趨勢將是從目前腦-機單向“接口”進化為腦-機雙向“交互”并最終實現腦-機完全“智能”融合，將生物智能的模糊決策、糾錯和快速學習能力與人工智能的快速、高精度計算及大規模、快速、準確的記憶與檢索能力結合，從而發展為更先進的人工智能技術，并組建由人腦與智能機器之間交互連接構成的新型生物人工智能網絡。這將徹底改變現有人類與智能機器之間的關系，為人類創造前所未有的智能信息時代新生活。

可以想見，未來，BCI將如現在的鼠標、鍵盤一樣，普遍地應用于各種需要人機交互的場合。將BCI技術植入到人們日常隨身攜帶的智能手機、可穿戴設備是必然的發展趨勢。