從腦機接口窺視未來的鋼琴演奏

文/賀思原

引言

腦機接口，來自未來的科技，窺視未來的窗口。對—名音樂工作者來說，這是一次腦洞大開的機會。對樂器演奏來說，好像沒有一點關系。但對我來說，這是無限可能。還好，藝術本身就是一種想象的空間，同樣充滿著無限可能。讓我們從一個音樂工作者的角度來思考一下，腦機接口跟樂器演奏結合，到底會發生什么匪夷所思、讓人大跌眼鏡的事情呢？

一、技術部分

（一）什么是腦機接口

腦機接口技術Brain Computer Interface，BCI)，當今最紅的未來黑科技之一。該技術建立了一種全新的通訊通道，使大腦不依賴于原有的通訊渠道傳送信號，為大腦與外部設備提供了一種全新的互動方式。

1875年，英國物理學家Richard Caton首次發現大腦上的電流信號之后，各國科學家紛紛對其展開了研究。

1929年，德國醫學家Hans Berger首次通過電極記錄下了腦電波。從此，通過分析腦皮層電信號來窺探大腦的意圖，成為了可能[1]。

1973年，Vidal教授提出了一種大腦和計算機直接通訊的觀點，腦機接口從此開啟了新的篇章[2]。

1999年，腦機接口技術國際會議對BCI進行了定義，即“腦機接口技術是一種不依賴于正常的由外周神經和肌肉組成的輸出通路的通訊系統”。在這個系統中，大腦繞過了周圍神經系統，通過設備與外界溝通。自此之后，隨著研究的不斷深入，腦機接口技術在生活、醫療和軍事上都體現出了其自身的獨特價值。作為一種跨界的技術，腦機接口的研究涉獵極廣。目前主要涉及生物學、腦科學、神經學、臨床醫學、計算機、通訊行業等多個領域的交叉。

（二）腦機接口現狀

基于腦機接口的產品已經看到不少。在科幻影視作品中，《黑客帝國》和《攻殼特工隊》等作品中都有相關的描述。在現實生活中，也已經有了相關的產品報道。據澎湃新聞報道，奔馳在其概念車Vision AVTR中搭載腦機接口技術。“鋼鐵俠”馬斯克已經在熱衷于通過植入芯片之后，通過意念來控制身邊設備（圖1）。2018年哈佛大學的一個創業公司研究出了一款義肢，讓失去右手的女孩可以演奏鋼琴。這都說明，腦機接口已經不再是科幻話題了。

圖1 腦波采集設備

1.硬件平臺方面

小型化、便攜化是腦機接口硬件設備的發展趨勢。近紅外成像設備體積小、噪聲低，且受被試者運動狀態影響較小，目前正被探索用于腦機接口實踐。目前國際上較為知名的硬件廠商有奧地利的G.Tec公司、德國的Brain Prouducts公司、美國的NeuroScan公司等。目前不少無線腦電采集系統也已面世。此外，以往腦電采集設備造價較高，并不利于商用和普及。為了改變這一局面，市面上也出現了一些適合商用的低價采集系統，如Emotiv和OpenBCI等。在國內，目前暫時沒有查詢到相關原創硬件廠商，僅聽聞國防科技大學有團隊正在進行該方面的研發[3]。

2.軟件平臺方面

經過多年的發展，針對腦機接口，國內外已推出了一些系統設計或信息處理的通用軟件平臺工具。知名的主要有ROS、BCI2000、OpenVibe等。ROS主要用于機器人的操控，也適用于腦機接口的研究工作，目前越來越多的研究者在BCI2000之后開始使用ROS作為綜合研究平臺。BCI2000是一個基于C語言框架的開放平臺，提供了Python語言的專用流程控制和刺激顯示模塊BCPY2000，也提供了MATLAB等軟件的數據接口。OpenVibe則采用了可視化編程界面，一定程度上方便了范式設計。在信息處理上，常見的集成工具有EEGlab、ERPlab等。在需要視覺刺激誘發的情況下，C-sharp、MATLAB的psychtoolbox工具箱和E-prime軟件也都是常用工具[4]。

（三）現有的音樂科技：樂器的數字化接口（MIDI）

MIDI技術對于音樂人來說幾乎盡人皆知，至少也是聽說過。自19世紀90年代起，它逐漸滲透到了音樂活動的方方面面。從樂譜制作到舞臺演奏，從音樂制作到唱片生成，無時無刻不體現著數字化的魅力。

MIDI是一種信號傳輸的協議，而這個協議的目的就是用來控制電子樂器的。它本身沒有任何聲音的元素，只是協議，一堆預先指定的十六進制代碼。所謂的“MIDI音樂”是不存在的。顯而易見，這是利用數字的手段，來控制MIDI設備，這也正是數控技術的工作方式。所以，我把MIDI技術稱之為數控技術在音樂方面的具體應用，數控技術在無數應用中的一個分支。

實際上，除了電子樂器之外，還有一些其他的設備也在使用相同的方式控制。有些時候還需要跟MIDI信號一起傳送。例如，舞臺的燈光和布景；某些機械與音樂的同步；有些時候還有音響。還聽說有一些音樂噴泉也是通過類似的手段控制。新聞中曾看到過國外某地鐵站里的樓梯鋪設了壓力傳感器，人走上去之后會發出相應的音符，這也是MIDI的功勞之一。以前曾經非常流行的多復音手機鈴聲，在播放音樂的時候還可以同時觸發多彩的燈光，有些還可以在播放音樂和觸發多彩燈光的同時，觸發震動。其工作方式，就是讓燈光和振動的控制單元（或者是程序），根據指定的MIDI內容，進行工作。

從技術上來說，這是計算機數控技術的一個分支，在音樂藝術領域里的具體應用。經過多年的發展和運用，MIDI技術已經成為一種非常成熟的技術，在音樂行業中它已經成為了一種習慣。我個人認為，腦波演奏將離不開MIDI技術。無論是腦波驅動機械手演奏鋼琴，還是腦波直接驅動電鋼琴，都將通過MIDI信號來實現。因為對于一項全新技術來說，以模塊化的概念將新功能模塊嫁接在現有成熟技術之上，這將少走很多彎路，也將極大地提升原有成熟技術的上升空間。在我的知識儲備中，這也是這個未來項目唯一的技術捷徑。

（四）腦機信號與MIDI的連接

在設想連接方式之前，我們先要明確一個概念：MIDI本身只是一種數據交換協議，同時也是不同設備之間的數字交互控制技術。既然是一種數控技術，那工作的方式一定是以發送數據的方式工作的。MIDI基本原理，就MIDI信號（或數據）本身而言，不過只是一堆數據而已，沒有任何的聲音。這四個字母是Music Instrument Digital Interface的縮寫，意思是樂器的數字化界面或接口（圖2）。

圖2 數據串00 60（3CH）120（78H）100（64H）

比如任何設備發送一組數據，音源在收到這組數據以后，按照要求準備音色、鍵位和力度，然后發一個Note On（開音碼）的事件，開始發音，并計數（Tick）；時值到期的時候，再發送一個Note Off（關音碼）。整個事件完成。

從理論上說，MIDI技術涵蓋了幾乎所有的實際演奏情況。熟練掌握MIDI知識和多加練習并融入自己的樂感，就能制作出以假亂真的音樂。

綜上所述，腦機接口是一種新型的控制技術。它通過各種方式獲取到純模擬的腦波信號并轉換成為數字信號，用于驅動外部設備。MIDI設備本身就是一種全數字化的設備，屬于計算機數控技術在音樂領域的一個分支。MIDI設備是通過被控制，才發出我們需要的聲音。

我所設想的通過腦電波來演奏鋼琴的方式，與MIDI技術緊密相連。通過某種還未產生的協議或技術，使腦電波直接與MIDI Mapper（MIDI映射表）對應起來，這樣便能驅動音源播放曲目或是驅動機械手來演奏鋼琴。

二、對通過腦機接口演奏鋼琴的思考

（一）優點

應該可以說，再也不用長年累月的手指練習了。那種枯燥和痛苦，業余愛好者是不大能夠體會到的。換個角度來看，更多的業余愛好者有可能通過腦機接口成為鋼琴大師。因為藝術表現完全靠思維，意思是演奏者的意識到哪里演奏就到哪里。可以預見，這將會形成一種全新的音樂表演形式。藝術表現力不用再靠多年練習積累，而是完全依靠個人修養。這時候專業院校日常的專業副課將會大顯神威。

很多人可能不大理解這個觀點，但圈內的專業人士應該都深有體會。專業院校的專業課程只是其核心競爭力的一部分，另外一部分是專業副課。優秀的專業老師可能在社會上同樣能找到，但輔助的課程和大量的訓練是無法在社會上輕易獲取的。僅以音樂教育中的視唱練耳、和聲兩門課程為例。在國內各大專業音樂學府中，視唱練耳、和聲這兩門課的教學方式和目標就遠高于國內其他院校的音樂專業。這些專業學府的很多學生經過幾乎可謂“變態”的訓練之后，橫向的音樂素養遠高于國內其他院校音樂專業的學生。特別是部分院校的附小、附中的學生。經過近10年的訓練，聽辨和樂理方面的職業能力可謂“變態”。在本科階段，基本可以算是“傲視群雄”了。除了視唱練耳、和聲兩門課程之外，還有音樂美學、音樂欣賞、中西方音樂史、曲式、復調等等一系列的課程。這些課程合在一起，使學生們的整體音樂素養遠高于業余人士。他們對音樂或藝術作品的理解和把握遠超業余選手。

在實現了腦機演奏之后，不用再經過長年累月的手指機能訓練，而空出來的時間也許會更多投入到美學、音樂史等專業副課的學習上，也許還有繪畫等非音樂但同樣需要美學功底的橫向藝術項目上。最終能碰撞出什么樣的火花，我很期待。

（二）缺點

說實話，很可怕，細思極恐。

常年的手指技能訓練，使我們在演奏的時候根本不需要考慮哪個手指彈哪個琴鍵，這是一種肌肉記憶。長年的練習基本都會具有一種本能，就是眼睛看到五線譜上的內容，無需反應就能在琴鍵上表達出來，而且準確率很高。

舉一個例子來說明。應用軟件通過操作系統驅動底層機器實現相應功能，無需控制芯片的每一個開關要干什么。我們在用的時候，只需要用好我們自己的應用軟件就行了，根本不用管它跟操作系統和底層芯片之間到底發生了什么。在鋼琴演奏這里就是，眼睛看過五線譜之后產生相應的腦波，腦波通過生物電流等等方式控制身體、手臂、腿腳來完成演奏，而不需要仔細想哪一個手指來彈哪一個琴鍵。這一切都不需要我們特意地控制它，大腦自己就完成了這一切。一切都是那么水到渠成的事情，可轉移到腦波演奏上，那麻煩就來了。

腦波演奏，有可能需要每一個音符都要先想到才會發聲，從而變成需要人為的控制每一根肌肉，才能正常地操縱身體來演奏。因此，簡單地演奏單旋律都成為了一種奢望。這好比是操作系統出現之前的電腦系統，那真的僅僅是一小撮人才能使用的奇怪機器。鋼琴這種多聲部的演奏，需要同時想到每一個聲部的每一個音才能演奏。幾百年來，鋼琴演奏從來都不是這樣的，這是不可想象的。相對于鋼琴演奏，腦機接口的數據精度和通道數量必須成倍增長，才能跟上演奏的需求。這一切什么時候能到來，我看不到。借用一句老話，“蜀道難，難于上青天”。

三、挑戰

現代操作系統誕生之初，計算機的每一個動作都需要編制天書般的二進制代碼構成的程序，用以告訴芯片該干什么、開哪個門關哪個門。世界上第一臺通用計算機“ENIAC”，每秒鐘進行5000次運算，讓它工作必須全部人工編寫一個完整的程序，指導機器每一步的動作。相比之下這貌似還能接受，因為現代操作系統，上千萬行的代碼，一個人是不可能完成的。所以，軟件編譯工具產生了，解決了人和機器之間的交流問題；操作系統產生了，計算機使用者不需要再直接跟編譯系統和底層機器代碼打交道了。解決了這兩個問題之后，電腦才真正地普及了，才逐漸有了我們現在所見到的數碼世界（圖3）。

圖3 系統自帶科學計算器中界面下，1234567890數字串相對應的十六進制、十進制、八進制、二進制數字串的截圖

目前腦波演奏鋼琴的技術狀態，似乎正處于“ENIAC”誕生之前的“黑暗”時期。目前后段的MIDI技術已經成熟，無論從通訊協議、應用軟件還是硬件，都非常發達。就連演奏用的機械手都已經誕生（先不論好壞，總有一天會完善的）。而前端的軟硬件，一切都是未知數。沒有“ENIAC”，甚至制造“ENIAC”的“電子管”都還在研發中。就算有了“ENIAC”，還需要一個類似于編譯工具和一種專用的批命令程序，才有可能驅動樂器，或者演奏樂器的機械手。而這兩者的研發，才是腦波演奏鋼琴的真正挑戰。它的誕生之日，將是腦波演奏的春天的開始。

四、結語

縱觀人類歷史，絕大部分的新技術都會被首先用于兩個方面。一個是軍事，另一個就是藝術。腦機接口作為一個跨多個行業的新技術，也不例外。在軍事方面，多年前就開始有專門定制的設備用于飛機駕駛等方面。而藝術方面，目前還真沒看到相關的發明。正如前文所述，腦機接口需要一個全新開發的通訊協議和一種編譯工具和某種批命令程序才能逐漸完善起來，而這個完善需要一個漫長的過程。若想在音樂演奏方面有所建樹，真心需要音樂、工程、生物等等各行業人才的共同努力。也許真正到了那一天，我們將目睹全新樂器“腦琴”的誕生!