BCI技術在現在和未來的應用

劉弘毅

腦機接口（BCI），也被叫作“大腦端口”，它是一種不依靠大腦外周神經，由生物的腦電與外部的設施直接連接的一種接口方式。它將已獲取的腦電信號，通過已經搭建的連接通路傳遞人腦的想要完成的行為動作，這樣人就可以直接通過腦內所想來完成相應的事情，而不需要自身肌體的行動。腦機接口技術使得由大腦直接控制目標機械或完成動作成為可能。

【關鍵詞】腦機接口 發展 應用

1 腦機接口發展現狀

在近幾年的發展歷程中，人們對于腦機接口的研究層出不窮。同時連續幾屆的腦機接口國際研討會也為當今世界的腦機接口研究奠定了一個積極的氛圍。目前，世界上很多國家的實驗室已經走在了腦機接口前沿的領域，并且掌握了很多關鍵的技術，下面我們分別加以介紹。

1.1 視覺誘發電位（Visual Evoked Potential，VEP）

視覺誘發電位的原理是因為生物體的視網膜接受持續的刺激，誘發大腦大腦皮質枕葉區對視覺刺激發生一定的生物電反應，從而導致電位變化。腦機接口系統中的視覺誘發電位依賴于使用者眼睛注視一個地方的專注度。為了獲得穩定的視覺誘發相應，實驗會對使用者進行生物反饋訓練。Middendorf等開發了基于VEP的BCI系統，他們在屏幕上設置了幾個以不同頻率閃爍的按鈕，使用者注視其中的一個按鈕，系統分析VEP的頻率，如果匹配于某個按鈕閃爍的頻率，就可確定使用者希望選擇的按鈕。他們還利用SSVEP控制飛機模擬器，其準確率高達96%。

在國內，清華大學程明、高上凱教授設計了基于SSVEP的環境控制系統，測試結果顯示該系統能區分至少48個目標，并且已成功實現了對周圍電子設備的控制。此外，其他學者還優化了p300和SSVEP的識別精確。

2 腦機接口應用方向

2.1 腦機接口用意念輸入信息 或讓腦中風患者再次“發聲”

腦機接口將最有希望完美實現用戶希望依靠自己的意念來行動、交流、控制設備的愿望。雖然該技術已經取得了很多成就，比如控制意念完成虛擬環境的舉起或放下物體，但患有“閉鎖綜合癥”的腦中風患者卻一直無法實現這一點。現在，有研究專家已經證實，腦機接口將成為讓腦中風患者再次“正常交談”生活的有一可能，用自己的腦電信號將所想表達的事情展現在屏幕等虛擬環境中。“有研究表明，腦機接口對ALS患者（肌萎縮側索硬化癥，一種神經退行性疾病，會導致肌肉萎縮）有幫助。”研究領導者EricSellers說道，“但到現在為止都沒有研究專門觀察腦中風患者，看看這是否對他們也有效。”

Sellers耗時13個月和一位患有閉鎖綜合癥的腦中風患者合作實驗，該患者雖然能感知周圍的環境變化，但是身體上的肌肉除了眼睛以外其他部位都喪失了機能。通過頭皮上的電位傳感器來獲取腦電信號，該研究使用了一種被稱為P300的常見大腦反應，這一反應會發生在檢測到有效刺激后約300毫秒產生反應。用戶面前會放置一個模擬的電腦鍵盤，使用者要把他們的注意力集中在鍵盤上并腦中思考想要按下的鍵，隨后他們眼前會快速閃過數字和字母。當用戶需要的字母閃過時，P300反應就會出現，然后電腦就會選擇這個字母，并且拼出用戶想要說的話。使用腦機接口，在62次對話中，該患者能正確拼寫單詞并與家人交流40次。

2.2 腦機接口機器人

腦機接口研究最初的想法是為那些交流有困難的人士或者殘障人士制造一個工具或者一個輔助道具，讓他們利用這種道具，去完成自己因為身體缺陷而不能完成的力所能及的事情。但是隨著人類技術的發展，以及日新月異的需求變化，人類對于智能機器人的呼聲越來越高，同時伴隨著腦機接口技術研究的熱度，新型的腦機接口機器人成為了新的期待產物。腦機接口機器人，通過腦機接口技術實現了讓使用者隨心所欲的去操控機器人，完成所想的任務。這意味著機器人可以在復雜的環境甚至人類難以生存的環境完成任務。所以在考古，軍事等重點領域有很大前景。同時因為機器人又可以在家庭使用，所以在家庭清潔，娛樂等方面也會有所建樹。

2.3 醫學方面應用

在醫學領域，腦機接口技術在幫助殘障人士和照顧病人方面將大有所為，如：

（1）完善肢體有缺陷的人：BCI技術可以為肢體有缺陷的人制造智能假肢，假肢可以通過腦電信號完成使用者想要的動作；

（2）BCI技術也可以成為保姆機器人：BCI機器人可以幫助生理有困難的人開門，開燈，控制輪椅等；

（3）運動康復：BCI康復機器人可以幫助殘疾人或肌體傷病康復后的病人進行主動康復訓練。

2.4 游戲娛樂方面

腦機接口將成為一種擺脫物理限制的新的游樂方式：通過思維來玩游戲，在游戲的世界里讓玩家做到隨心所欲。如果該項技術能夠發展到以家用電器的姿態出現在人的生活中，同時和虛擬現實技術相結合，對于人類的游戲娛樂將會是一次重大的變革。

3 腦機接口研究局限性

作為一個近幾年熱度驟升的科研方向，BCI技術可以說是集百家之長，所用的知識設計多方面，如：生物特征識別、數字信號處理、算法分析與設計、生物醫學工程，但是仍有大量的問題尚待解決，目前主要存在以下問題：

（1）傳輸效率太低：整體來看，大多數BCI技術信息傳輸率低于20比特每分鐘，所以當真正用到實際之中效率太低。

（2）系統穩定性不高：系統很容易受到外界因素的干擾，而自身又缺乏相應的調整措施。

（3）研究的標準得不到統一：目前BCI技術因為熱度高開發人員多，導致開發的標準得不到統一。

（4）很難得到大面積的應用：由于不同的試驗環境對BCI技術的使用也有所不同，所以造成了同一個項目改變環境或改變實驗對象會造成實驗結果不準確的情況，為項目的大面積使用提出了難題。

（5）為了維持系統的穩定，是否需要設置反饋？眾所周知，腦機接口技術就是為了方便的讓使用者完成自己所想的行動或事物，加上反饋雖然會提高精度，但是會讓系統更加復雜，違背了簡便的初衷。

（6）是否需要對機器進行前期的配置？就如大家所知道的，讓人去學習做一個工作或者項目，需要大量的時間訓練相關人員，機器人更是如此，同時因為機器的特性，配置機器將成為一項更繁雜的工作。

（7）機器的適應能力：因為BCI技術或BCI機器人工作環境的特異性，脫離了特定的環境可能會造成機器識別不準確，所以機器不能連續不間斷工作，而且工作環境的特定，受試者自身意識的特異性不能充分發揮。

（8）因為個體差異的存在，不能批量去設置同一款腦機接口機器人，所以不同的人需要設計不同的方法來設置相應的參數。即使是同一個人，由于他（她）的身體原因，情緒因素，目的變化，也可能會造成已設計好的BCI裝置無法繼續使用。

4 結束語

BCI作為一個熱門研究領域，一旦發展成熟將會作為人工智能產業的又一里程碑式的產品，對特定人群例如殘疾人，聾啞人的應用前景更為廣闊。因為BCI技術發展的不充分，使得很多的研究機構在對BCI技術展開探究，它們基于不同的控制信號，訓練樣本，參數設置也各有所異。因為這些原因，以及BCI技術的不成熟，很多的BCI項目仍然停留在實驗室領域，能投入實際應用的少之又少，在BCI領域還有很多的問題需要解決。但是，我相信隨著科學發展的進步，以及人們在神經學，信號處理方面的技術改進，BCI技術的發展將日趨進步，新型的可批量應用的BCI技術產品將在不久的將來出現在人類的日常生活中。

參考文獻

[1]楊立才，李佰敏，李光林等.腦—機接口技術綜述[J].電子學報，2005，33（07）：1234-1241.

[2]江君.基于雙向神經接口的生物機器人系統的研究[D].杭州：浙江大學，2011.

[3]高上凱.腦-機接口的發展現狀與未來.清華大學[R].清華大學，2005.

[4]馮煥清，江朝暉.用于BCI設計的運動想象腦電信號分析方法[J].合肥工業大學，上海理工大學，2014.

[5]高諾.腦機接口技術的研究現狀及發展趨勢[J].機器人技術與應用，2013.

作者簡介

劉弘毅（1999-），男，江蘇省南京市人。安徽省合肥市第八中學高中在讀。

作者單位

安徽省合肥市第八中學 安徽省合肥市 230000