腦-機接口技術在載人航天任務中的應用研究

果琳麗張志賢張澤旭（ 中國空間技術研究院載人航天總體部 哈爾濱工業大學）

?

腦-機接口技術在載人航天任務中的應用研究

果琳麗1張志賢1張澤旭2（1 中國空間技術研究院載人航天總體部 2 哈爾濱工業大學）

1　腦-機接口技術概述

腦-機接口技術概念

腦-機接口（BCI）是以腦電信號或其他相關技術為基礎，將大腦活動特征轉化為預定義的命令，從而實現與外界交流或者控制其他外部設備的先進技術，是一種不依賴身體肌肉組織系統和控制神經系統的新型智能接口技術。因此，我們可以把BCI定義為一個非肌肉通信系統，它可以使人體的大腦意圖和外界環境進行直接的溝通交流，在計算機和大腦之間建立一個新的通信通道。

BCI和普通人機接口的一個主要差別是，BCI只需要檢測大腦的響應性或目的性活動信號，而不需要人體語言或身體動作的參與。基于腦電信號（EEG）的BCI并非試圖解釋大腦自發腦電，而是使大腦產生容易被解釋分析的腦電，BCI檢測分析出這種特異性腦電后，就可以發出相對應的控制信息。

BCl系統組成

BCl系統組成

BCI系統和任何通信系統一樣，有輸入（即來自使用者的大腦信號）、輸出（即設備指令）、將前者轉化為后者的組件，以及決定運行開始、偏移及定時的操作協議。因此，任何BCI系統都可以說是由四大部分組成：

1）信號采集，即采集大腦信號；

2）信號處理，即提取大腦信號特征并將其轉化為設備指令；

3）輸出設備，根據設備指令執行動作來實現用戶的意圖；

4）操作協議，即引導操作流程。

對于部分BCI系統還會加入反饋環節，用戶不僅知道自己思維控制得到的結果，對于出現的誤操作，用戶也可以進行自主調節腦電信號以達到更好的控制目標。反饋可以提高系統的準確性、實時性，但是同時也會影響用戶體驗，對系統也帶來一定的資源負擔。

BCl技術的分類

根據傳輸形式，BCI技術可以分為單向BCI技術和雙向BCI技術，單向BCI技術不能同時發送和接收信號，而雙向BCI技術允許腦和外部設備間的雙向信息交換。

腦皮層電位（ECoG）信號是通過信號采集系統，經過信號采集、放大、濾波、A/D轉換等輸出的預處理信號，即還原之后較為純凈的腦電信號；然后，ECoG信號處理系統經過特征提取、模式識別、模式分類進行信號處理，將分類結果輸出；再經過指令編碼，將信號變為控制指令傳輸給控制機構，控制外界環境及設備；同時，將反饋信息經過多通道反饋系統傳輸給計算機及人腦，進行人機交互，對控制指令進行進一步調整和確認。

交互環節是BCI系統的重要組成部分，應用于載人航天領域的雙向BCI系統是基于人機交互模式的。BCI系統的輸出通過視覺、聽覺、觸覺等方式反饋給使用者，使用者將結果與自己的期望進行比較，調整自身生理狀態，對后續輸入進行保持或者調解，以使系統輸出達到更好的效果。

雙向BCl人機交互技術結構圖

2　BCl技術在載人航天領域的潛在應用分析

載人航天任務中，航天員的生命安全是最重要的，航天員在環境惡劣的太空執行任務，由于微重力、高輻射等空間環境的影響，會使一些原本簡單的任務變得復雜不可控。因此，將雙向BCI技術應用于載人航天領域可以確保航天員的安全，增加任務的靈活性和可靠性，提升空間操作的安全性和效率。

控制機器人進行空間站維修作業

空間站等航天器大多數安裝有高精度電子元器件，其中有很多微型元器件安裝在儀器中。航天器質量越小、體積越小，需要攜帶的燃料越少，有效載荷比就越高。因此，很多航天器的設備都盡可能節省空間，緊密安裝在狹小的空間內。這些電子元器件發生故障時，航天員很難對其進行修復，而且在任務執行中，有些元器件不能拆卸。如果能將BCI技術和微型維修機器人結合，就能夠解決這類問題。

微型維修機器人由于體積小，能夠進入航天員到達不了的狹小空間，航天員可以通過微型維修機器人的拍攝裝置，在計算機上顯示出故障發生的位置，通過BCI控制微型維修機器人，將損壞的元器件換下，或者直接進行修復。

航天服內部環境控制

航天員在執行艙外任務時，需要對航天服的內部環境進行監測和調節，維持航天服內部環境的相對穩定。由于外界環境的差異性、工作環境的復雜性，要根據外界的環境變化對航天服內部環境進行控制。可以將BCI技術應用于航天服內部環境控制系統中，通過實時性控制，確保環境控制的及時性。

在艙外作業中，如果航天員感覺到身體不適或遇到緊急事件時，可以通過BCI系統迅速向飛行器和航天服發送信號，無需手動操作，使航天服內部環境控制系統接收到指令信息可以做出快速反應，比如增加航天服內氧氣含量，提高航天服內溫度等，確保航天員生命安全。

BCl與肌電圖結合的人體機械外骨骼

基于BCI與肌電圖（EMG）結合的人體機械外骨骼，在載人航天領域有非常好的發展前景。航天員進行星表勘探時，星表探測器不能隨著航天員的運動范圍任意運動，航天員在進行人工鉆取、挖孔、采集星表土壤時，外骨骼裝備可以根據腦信號和肌肉信號的控制指令進行相應動作，為航天員節省了體能，并且能夠提供超出航天員自身的力量。在外骨骼裝備的幫助下，航天員可以在星表更為輕松、省力地行走。基于BCI與EMG的人體外骨骼裝備，同時接收ECoG信號和EMG信號，可以更好地為航天事業服務。

人體外骨骼示意圖

BCl與EMG結合的人體外骨骼控制系統示意圖

人體外骨骼裝備幫助脊椎受損的航天員恢復行走

對于長期生活在空間站或者經受長期太空旅行的航天員來說，長期的微重力環境會對航天員的肌肉組織和骨骼組織造成傷害，導致骨質流失和肌肉萎縮等癥狀。可以使用基于BCI和EMG結合的人體外骨骼裝置，幫助航天員進行恢復訓練。比如，通過ECoG信號對腿部外骨骼進行控制，協助、強迫進行腿部訓練，給腿部肌肉持續受力，進行腿部機能恢復訓練。

對于在執行任務中受傷、致殘的航天員，基于BCI和EMG結合的人體外骨骼技術，可以最大程度地幫助他們進行正常的生活。對于一名脊椎受損的航天員，通過無線數據通信建立閉環通信回路，可以繞過受損的脊椎部分，進行信息傳遞和反饋。

BCl與虛擬現實結合的載人車輛導航技術

在載人深空探測任務中，根據探測任務的需要，探測器到達探測目標后，要釋放星表探測器對探測目標進行表面作業，例如，月球車、火星車、小行星星表探測器等。這些星表探測器工作時需要進行導航，將BCI與虛擬現實（VR）技術相結合，可以對火星車等進行遠程大范圍導航。在探測器著陸之前的探測目標繞飛階段，對目標星進行拍攝和地形重構，將星表的三維圖像傳輸給可視化頭盔，航天員根據還原的視景呈現發出ECoG信號，通過BCI系統對ECoG信號進行處理、分析，轉化為導航信號分別傳輸給VR系統和火星車等導航目標。在VR系統的還原場景中，虛擬火星車執行導航指令，航天員可以根據VR系統的圖像進行大范圍路徑規劃。同時，火星車接收導航命令進行工作，并將實時導航結果反饋給航天員，判斷是否繼續下一步導航指令。

BCl與VR結合的導航過程示意圖

機械臂操控技術

在執行太空碎片回收、廢棄衛星回收、小衛星捕獲等航天任務時，需要對航天器的機械臂、機械手進行控制，對目標進行抓取、捕獲。可以將BCI技術與航天器機械臂的控制相結合，通過BCI對航天器機械臂進行直接控制。

雖然使用傳統的操縱桿和顯示屏等接口的機械手或者機器人，可以從航天器內部或者地面手動控制，系統地完成一些任務，也能夠降低對艙外活動的需求，但是傳統機械手或者機器人的靈活性、適應性不足以代替所有的艙外活動，尤其是執行特殊任務的高精度靈巧機械臂。

理想的航天器機械臂系統是操作者能夠通過運動想象，十分精確、即時地控制機械臂的移動，像控制自己的手臂一樣。為了能夠代替航天員的一些艙外活動，進行科學任務，基于BCI的機械臂系統必須能夠在速度、精度、安全性、靈活性上同已經實現的方法處于同一水平上。

“國際空間站”桁架上的加拿大機械臂-2

控制機器人代替航天員出艙作業

載人航天任務中，最重要的就是保證航天員的生命安全。然而，太空環境極其惡劣，航天員在執行艙外任務時，要承受多種宇宙射線和微重力環境的影響，身體健康和生命安全都受到一定程度的威脅。

針對這種情況，可以使用智能機器人代替航天員進行艙外活動，航天員在艙內通過BCI控制智能機器人工作，可以更安全、有效地完成科學任務，而且智能機器人可以到達航天員不能到達的區域和環境工作，還能完成一些航天員無法完成的科學探測任務。

航天員應急系統

載人深空探測已經成為各國航天領域重點研究的領域，美國航空航天局（NASA）的小行星登陸計劃和火星登陸計劃都在按部就班地進行著。絕大多數的載人深空探測的任務周期都超過1年，航天員長期處于惡劣的太空環境，對身體健康和生命安全都有一定的威脅。因此，在載人探測任務計劃中會設計航天員應急系統的環節，保證航天員在航天器緊急故障或突發狀況下，能夠啟動應急系統，保證航天員生命安全。

如果可以采用BCI技術啟動應急系統，可以在突發狀況下節省寶貴的時間，迅速啟動應急系統。而且突發狀況時，航天員由于各種原因，很難馬上接觸到應急裝置，用BCI進行啟動，會在第一時間為航天員提供幫助。

基于BCl的遙操作技術

隨著航天事業的發展，在軌服務技術越來越受到重視，相應遙操作技術也得到大力發展。對于廢棄衛星回收、衛星天線等制定器件回收、空間碎片清理、超近距離導航、對接等任務，可以采用基于BCI的遙操作技術，可以保證任務的高效性和可靠性。

例如，對于廢棄衛星的高頻天線回收，可以通過BCI控制飛行器的機械臂、機械手等對天線進行拆除和回收，再通過視頻傳輸信號進行任務反饋，根據機械臂、機械手的位置測量信息等反饋信息，再發出接下來的指令，通過遙操作完成對廢棄衛星高頻天線的回收。

3　雙向BCl技術應用于載人航天任務中存在的關鍵問題

信息傳輸問題

從機器人角度看BCI問題，主要是如何實時、精確、巧妙地實現對機械臂的控制，以及將非植入式BCI應用在機器人控制領域。通常對機器人的靈活控制需要每秒至少20個控制指令，遠高于目前基于EEG的非植入式BCI的0.5bit/s的傳輸率和植入式BCI的6.5bit/s的傳輸率。為了說明目前BCI技術的現狀，以柏林BCI系統為例，在該系統中，6個被試者進行了3個簡單的基于運動想象的光標控制訓練任務，3個任務的平均數據傳輸率是0.3bit/s，而要實現對一個機械臂的靈活控制（包括控制方向、速度、抓握力量以及復雜的關節結構），顯然需要比這個大得多的信息傳輸率。

盡管在現在的技術條件下還無法實現對基于BCI技術的機器人實時、靈活的控制，但是可以實現一些現階段技術條件下可以完成的應用，比如不用手就實現對艙外航天服內部的環境控制等。另外，BCI技術還可以解碼高層次的指令，該指令將半自動地被機器人或者其他系統實現，此過程中可能伴隨著監控，或者由更高層次的指令適當干預。

精度問題

決定BCI系統精度的因素包括個體的生物學差異、任務的種類、使用的硬件和軟件（包括預測機制的類型和錯誤信號的糾正）、信號質量以及一個特定使用者執行一個思維任務的能力。在基于分類器的BCI系統中，精度必須用信息傳輸率和指令延時來衡量。若要對BCI系統的精度做出有意義的比較，這兩方面是必須參照的。但粗略來看，以柏林BCI為例，它區分兩種狀況的正確率大約為90%，個體正確率在78.1%～98%。對于很多更高維度的任務來說，系統的精度還會下降。另外，由于使用者的移動或者來自其他任務的干擾而導致信號噪聲增加，也會使得精度下降。

保證太空操作的精度并不單純為了降低操作失敗率和提高任務的性能表現，在大部分的應用中，不足的精度還會造成安全問題、設備損壞或者阻礙操作的執行。精度問題是目前BCI技術應用于載人航天領域的一個主要障礙。

反饋問題

快速、多維的反饋以實現類似于機械手臂這樣的裝置進行精確、平穩的控制，以及避免設備的損壞是至關重要的。因此，機器人系統必須能夠察覺到差錯和力度的大小，還必須能自動改變這些參數或者實時地將這些信息反饋給使用者，以供其相應地改變自己的輸出。Kim等人稱，目前的機器人傳感器不足以很好地完成這些操作，即使完成了，反饋給使用者的信息質量和信息內容也會受到傳感方式的制約。

要在復雜的動態系統中實現精確的常速移動，常用的可視化方法將會引入過長的時延，盡管在基于植入式BCI的動物實驗中，實時的視覺反饋已經被成功地應用于基本的機器人控制，但若要達到高實時性的精確控制，還需要進一步深入探索，通過融合其他方法，有效地增加反饋回來的信息量，在一定程度上減少反饋時延。目前，反饋問題仍然是將BCI技術應用于載人航天領域的瓶頸。

4　結束語

如果能將雙向BCI技術廣泛應用于未來的載人航天任務中，將大大減少對航天員出艙活動及維修、維護等任務的需求，有利于減輕航天員的工作負荷，提高工作效率，這是未來載人航天任務中實現人機聯合探測及操作的重要途徑。

Research on Application of Brain-computer Interface in Human Spaceflight Mission