看过电影《阿凡达》的观众可能会对影片中这样一个情节记忆犹新:在潘多拉星球上,下身瘫痪的男主角躺在密封舱中,通过头上戴着的设备,用意念操控人造的混血生物阿凡达。
 
这种看似天马行空的桥段,很有可能在不久的将来成为现实!
 
近日,国际顶尖学术期刊《科学》旗下的《机器人技术》(Science Robotics)刊登了脑机接口(BCI)领域的一项突破性成果——美国卡内基梅隆大学的贺斌教授带领其研究团队与明尼苏达大学合作,成功开发出第一款非侵入式的意念控制机械臂,能够连续跟踪随机运动的计算机光标。
 
 
有业内人士认为,这项技术不仅可以帮助众多瘫痪患者和运动障碍患者提升生活质量,而且由于该项技术不需要在头上手术植入电极和芯片,而是直接从人的头皮上获取神经信号,因此更有可能应用到生活场景,给人类生活带来颠覆性的体验。
 
记者注意到,贺斌团队并非首次在这一研究领域崭露头角。据侨报网 2014 年公布的消息称,美国国家科学基金会当年 3 月公开征集“脑计划”研究项目,最终决定在 600 个申请中资助 36 个项目,其中贺斌教授正是获得资助的科学家之一。
 
首个非侵入式意念控制机械臂诞生
想要依靠意念控制外物,离不开脑机接口技术。所谓的脑机接口技术是指脑、机、接口三者的结合,是将大脑的信息通过适当的接口技术进行读取,并操控外部设备的动作。这些外部设备可以是一个机械臂,可以是虚拟键盘,也可以是其他任何想要操控的东西。
 
尽管脑机接口技术已经运用于医学,但大多属于有创的脑机接口,需要通过手术向头部植入电极来实现脑电信号的获取。这样做的好处就是可以直接从大脑皮层获取信息,可以避免神经信号因为远距离传输而衰减,具有极高的信噪比和良好的分辨率。
 
 
然而,贺斌团队研发的则是一种可与大脑无创连接的脑机接口,也是史上首个非侵入式意念控制的机械臂。
 
据了解,目前这项技术已经在 68 名身体健全的人类受试者中进行了测试,已成功实现了普通人对虚拟设备和机器臂的控制。研究人员表示,该团队计划在不久的将来进行临床试验,未来这项技术也可能像智能手机一样在大众中普及,让每个普通人都能拥有“意念操纵物体”的超能力。
 
如果无创脑机接口应用到商业或者生活场景,又会产生怎样的影响呢?据网络公众号“财经要参”描述,无创脑机接口无需头上开洞手术植入电极和芯片,而是直接从人的头皮上获取神经信号,戴一顶“电极帽”就可以指挥外物,可以说是随戴随取。
 
试想未来某一天你早上醒来,只要心里想一想,灯就开了;再默默下个指令,咖啡机就开始自动煮起了咖啡……这种颠覆性的技术,将彻底改变人与机器的交互方式。
 
全球市场规模将达数千亿美元
2014 年巴西世界杯开幕式,瘫痪青年利亚诺·平托穿着庞大、笨重的骨骼服,通过脑机接口踢出了当年世界杯的第一球。
 
国内某电视台综艺节目《挑战不可能》上,渐冻人王甲借助清华大学神经工程团队为其打造的一款无创脑机接口打字系统,通过对视觉神经信号的解码来完成打字的任务。
 
 
与普通人想象中只存在于实验室中的神秘“黑科技”略有不同,实际上脑机接口技术已经在悄然兴起,并有望迸发出巨大的潜力。
 
2017 年,硅谷 Live 联合哈佛大学脑科学中心科学家共同打造中美首份脑机接口行业分析长文,脑机接口是一种全新的输入输出方式,其应用将横跨数个行业领域。脑机接口操作系统也极有可能成为继 Windows(电脑操作系统代表)、iOS(手机操作系统代表)、Alexa(语音操作系统代表)之后的又一新型人机交互系统。
 
该文章指出,单纯从脑机接口设备(EEG/EMG)的维度来看,市场规模在 5 年内将达到 25 亿美元;而从脑机接口将深度影响的数个科技领域来看,市场规模在 5 年内将达到数千亿美元,其中包括 ADHD 脑机接口反馈治疗 460 亿美元;大脑检测系统 120 亿美元;教育科技 2500 亿美元;游戏产业 1200 亿美元。
 
根据研究机构 Allied Market Research 的研究报告,全球脑机接口市场从 2014~2020 年的年复合增长率预计达到 11.5%。脑机接口在医疗保健、智能家居控制、娱乐和游戏等领域正得到越来越广泛的应用。
 
中国科学院半导体研究所研究员王毅军表示,脑机接口是让大脑和机器直接沟通的一种系统,它可以让人脑与机器互联,人机之间的信息传递或通讯控制会变得更加方便。“未来可以通过脑机接口实现生物智能与机器智能的融合,即脑机混合智能,使大脑与大脑之间,大脑与计算机之间直接进行信息沟通,信息沟通的效率将大大提高,从而真正实现‘心想事成’和‘意念控制’。”
 
有望突破低信号分辨率掣肘
记者通过梳理发现,人类从上世纪 90 年代就开始研究如何用意念远程操控外物,相关的新闻报道也十分多见。对于机械臂而言,举起重物、抓取物品等行为早已如同探囊取物,但高精度、灵敏的运动规划依然困难重重。
 
有专家指出,用非侵入式脑机接口控制的机械臂一直以不稳定、不连续的方式跟随电脑上光标的移动,看起来就好像屏幕卡顿了一样,延迟问题非常明显。
 
脑机接口主要分为侵入式、部分侵入式和非侵入式三种类型。侵入式需要往大脑里植入神经芯片、传感器等外来设备;部分侵入式一般植入到颅腔内、灰质外;而非侵入式通常是通过脑电帽接触头皮的方式,间接获取大脑皮层神经信号。
 
科技领域公众号“智东西”在文章中指出,非侵入式脑机接口使用的是外部传感器,价格相对低廉且更方便人们佩戴,但因为不是直接接触,它接收到的信号会有更多的噪音,导致它记录到的信号分辨率和控制精度很难达到侵入式那么高。
 
文章指出,2013 年,全球非侵入式脑机接口已经占整个脑机接口市场收入的 85%,但并没有表现出稳定的增长状态。
 
王毅军也认为,尽管前景十分美好,现阶段脑机接口技术还存在很多尴尬的问题。侵入式的脑机接口,在大脑中植入电极后,周围的胶质细胞会逐渐将电极包裹起来,电极监测到的神经元活动会越来越少,几年甚至几个月后,电极就完全监测不到神经元活动。
 
“脑机接口的应用效果也不是很理想。比如通过脑机接口操控的机械臂还很难像真人的肢体一样灵活。总体来说,脑机接口系统还缺乏安全、高效、成本又低的解决方案。”王毅军说。
 
不过,本次《机器人技术》刊载的这项成果却有望突破以往存在的掣肘,取得关键性进展。据贺斌团队研究人员介绍,这种无创脑机接口技术采用脑电图记录大脑深处的信号,并利用脑电图源成像技术和机器学习技术提高了以往对机器臂的高分辨率控制。
 
据介绍,相比其他无创的脑机接口技术,在二维平面控制光标移动的传统任务中,这种新技术的机器学习能力提高了近 60%。而在另一个更接近现实使用的情境中,也就是由用户采用运动想象来连续追逐随机移动的光标,这个任务的学习成绩提高了 5 倍以上。