人工智能下一個(gè)風(fēng)口的“黑科技”：腦-機(jī)接口

■文/明 東 柯余峰 劉 爽 王仲朋

腦-機(jī)接口通過解碼大腦信息，實(shí)現(xiàn)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?yuàn)蕵贰⒐I(yè)控制等領(lǐng)域，腦-機(jī)接口現(xiàn)已成為腦科學(xué)研究、大腦認(rèn)知機(jī)制解密、智能人機(jī)交互應(yīng)用開發(fā)的全新“窗口”。

隨著世界強(qiáng)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(rèn)知功能、攻克大腦神經(jīng)疾病為科研導(dǎo)向和發(fā)展類腦人工智能技術(shù)為目標(biāo)的“中國腦計(jì)劃”。其中，腦-機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI；或Brain-Machine Interface，BMI）的研究與開發(fā)是重要內(nèi)容之一。BCI通過解碼大腦活動(dòng)信號獲取思維信息，實(shí)現(xiàn)人腦與外界直接交流，其嚴(yán)格定義為“一個(gè)通過檢測中樞神經(jīng)系統(tǒng)（Central Nervous System，CNS）活動(dòng)并將其轉(zhuǎn)化為人工輸出來替代、修復(fù)、增強(qiáng)、補(bǔ)充或改善CNS的正常輸出，由此改變CNS與其內(nèi)外環(huán)境之間持續(xù)交互作用的系統(tǒng)”。該定義突出了BCI替代、修復(fù)、增強(qiáng)、補(bǔ)充或改善CNS功能的關(guān)鍵作用，更強(qiáng)調(diào)了其在改變CNS傳統(tǒng)對外交互機(jī)制、創(chuàng)造新型人機(jī)智能交互模式方面的重要意義。

BCI是腦認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與工程技術(shù)的一種新型交互結(jié)合方式，可以無須采用常規(guī)的肢體神經(jīng)肌肉接觸便能實(shí)現(xiàn)人與外界機(jī)器設(shè)備的思維信息交互、使“思想”變成“行動(dòng)”，現(xiàn)已成為腦科學(xué)研究、大腦認(rèn)知機(jī)制解密和智能人機(jī)交互應(yīng)用開發(fā)的全新“窗口”。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

早期BCI技術(shù)因其獨(dú)特優(yōu)勢，應(yīng)用主要面向殘疾人群，替代或輔助其肢體運(yùn)動(dòng)功能，幫助其恢復(fù)生活能力。近十幾年來，BCI技術(shù)快速拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，在軍事、航天等特殊環(huán)境場合開始發(fā)揮不可替代的優(yōu)勢作用，這也是美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）等機(jī)構(gòu)大力支持發(fā)展BCI技術(shù)的重要原因。以DARPA為代表的軍事技術(shù)研究機(jī)構(gòu)在BCI領(lǐng)域的投入持續(xù)增加，尤其在各國“腦計(jì)劃”陸續(xù)啟動(dòng)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(tǒng)應(yīng)用在神經(jīng)機(jī)制研究及有效性評價(jià)方面也具有顯著優(yōu)勢，主要原因在于BCI對神經(jīng)功能活動(dòng)的測量和反饋使人腦運(yùn)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(diào)控相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品研發(fā)。例如，2017年4月Facebook公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官馬克·扎克伯格（Mark Zuckerberg）在年度開發(fā)者大會(huì)上曝出其秘密的B8計(jì)劃中開展的BCI研究。他們預(yù)期在18個(gè)月內(nèi)研制出可每分鐘輸入100個(gè)字的腦控拼寫器原型系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)意識控制一切。素有科學(xué)狂人之稱的埃隆·馬斯克（Elon Musk）在2017年初宣布創(chuàng)辦全新的Neuralink公司，計(jì)劃將在4年內(nèi)開發(fā)出首個(gè)用于治療腦部疾病的BCI產(chǎn)品，未來還將開發(fā)高生物相容性的植入神經(jīng)接口，以實(shí)現(xiàn)人工智能植入人腦，取代人類的自然語言交流，實(shí)現(xiàn)顛覆性的智能人機(jī)交互。

相比歐美等發(fā)達(dá)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(fā)展勢頭良好、速度迅猛，也取得了長足的進(jìn)步。無論在民用領(lǐng)域還是國防領(lǐng)域，BCI都顯示出不俗的研究潛力，尤其在航天、康復(fù)等領(lǐng)域，我國涌現(xiàn)出了一批突出的BCI技術(shù)成果。例如，我國實(shí)現(xiàn)了目前世界上最快的視覺誘發(fā)BCI技術(shù)，創(chuàng)造了平均325比特/分鐘的最高信息傳輸速率記錄；實(shí)現(xiàn)了國際最大指令集的復(fù)合運(yùn)動(dòng)想象BCI技術(shù)，并率先應(yīng)用于中風(fēng)患者的臨床康復(fù)；開展了國際首例航天在軌BCI的空間適用性測試及應(yīng)用研究。清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、國防科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)以及天津大學(xué)等在內(nèi)的眾多國內(nèi)高校和研究機(jī)構(gòu)，均在BCI基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用研究中取得了優(yōu)異的成果。從總體上看，我國的BCI技術(shù)已與國際保持同步發(fā)展，部分領(lǐng)域甚至處于國際領(lǐng)先地位。

BCI應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展

BCI研究的初衷是為殘疾人提供一個(gè)與外界進(jìn)行交流的通信方式，從而實(shí)現(xiàn)利用思維操控輪椅、假肢等。隨著人工智能控制技術(shù)的日益成熟及虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual reality，VR）、機(jī)械外骨骼（Exoskeleton，Exo）、經(jīng)顱電磁刺激（Transcranial Electric/Magnetic Stimulation，TE/DS）等外設(shè)技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，人們對智能機(jī)器人的需求逐漸增加，BCI機(jī)器人的概念也應(yīng)運(yùn)而生，其應(yīng)用范圍不再局限于臨床康復(fù)與輔助，而是擴(kuò)展到工業(yè)控制、軍事航天、生活?yuàn)蕵返戎T多領(lǐng)域，進(jìn)一步凸顯了人機(jī)智能交互的優(yōu)越前景，不斷為BCI技術(shù)領(lǐng)域乃至整個(gè)人工智能領(lǐng)域開辟全新格局。

●基于BCI的神經(jīng)康復(fù)與接口控制應(yīng)用

在神經(jīng)康復(fù)或輔助醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，BCI機(jī)器人可以幫助肢體運(yùn)動(dòng)障礙患者提高生活質(zhì)量。另外，BCI在腦外傷、肢體殘疾、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等患者的康復(fù)和功能重建中也發(fā)揮著重要作用。例如，奧地利格拉茨科技大學(xué)應(yīng)用BCI控制電刺激幫助癱瘓患者完成簡單的喝水動(dòng)作，這被認(rèn)為是BCI應(yīng)用于助殘事業(yè)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(dòng)一時(shí)。天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)于2014年研制成功全球首臺適用于全肢體中風(fēng)患者康復(fù)的人工神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)——“神工一號”。該系統(tǒng)融合了運(yùn)動(dòng)想象療法和物理訓(xùn)練療法，首先，在中風(fēng)患者體外仿生構(gòu)筑了一條完整的人工神經(jīng)通路，通過模擬解碼患者的運(yùn)動(dòng)意念信息，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)多級神經(jīng)肌肉電刺激技術(shù)產(chǎn)生對應(yīng)動(dòng)作，在康復(fù)訓(xùn)練的同時(shí)，促進(jìn)患者受損腦區(qū)功能恢復(fù)以及體內(nèi)神經(jīng)通路的修復(fù)和重建。

●基于BCI的航天、軍事、生活?yuàn)蕵返葢?yīng)用

特殊環(huán)境作業(yè)：BCI特種機(jī)器人在危險(xiǎn)或不適宜人工操作的環(huán)境中（航空航天等領(lǐng)域）顯示出巨大的應(yīng)用價(jià)值，它能夠?yàn)楹教靻T等特殊人群提供肢體約束環(huán)境下的“第三只手”和神經(jīng)功能層面融合的自適應(yīng)、自動(dòng)化人機(jī)協(xié)作，幫助他們完成更多更復(fù)雜的工作任務(wù)。例如，2016年在我國天宮二號與神舟十一號載人飛行任務(wù)中，天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)了航天員腦力負(fù)荷等神經(jīng)工效測試技術(shù)及裝置并在天宮二號空間站試驗(yàn)任務(wù)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，成功完成世界首次太空腦-機(jī)交互實(shí)驗(yàn)，為我國載人航天工程的新一代醫(yī)學(xué)與人因保障系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

特殊領(lǐng)域及前沿技術(shù)開發(fā)：BCI機(jī)器人有望實(shí)現(xiàn)無人駕駛或腦控操作一切的夢想，這不僅在軍事領(lǐng)域意義重大，同時(shí)為全人類開辟了更廣闊的活動(dòng)空間。例如，美國佛羅里達(dá)大學(xué)開展的腦控?zé)o人機(jī)相關(guān)技術(shù)研發(fā)工作，以及前文提到的Facebook和Neuralink公司的未來發(fā)展規(guī)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(tǒng)鼠標(biāo)、鍵盤控制電子游戲的有益補(bǔ)充，會(huì)增加游戲的娛樂效應(yīng)。BCI機(jī)器人是智能機(jī)器人的有力補(bǔ)充，有效的人機(jī)交互方式會(huì)提高智能機(jī)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(xù)推出智能腦電玩具M(jìn)indflex、情緒貓耳Necomimi等。

以上應(yīng)用范例預(yù)示未來將會(huì)有更多人性化、實(shí)用化、安全化的BCI應(yīng)用成果步入人們的日常生活。

未來趨勢

從近中期發(fā)展來看，BCI將主要圍繞解決其現(xiàn)有技術(shù)瓶頸和提高解碼信息維度兩個(gè)方向發(fā)展，而長遠(yuǎn)發(fā)展趨勢則是從目前腦-機(jī)單向“接口”進(jìn)化為雙向“交互”并最終實(shí)現(xiàn)“智能”融合。

近中期需攻克刺激范式依賴性難題，擺脫現(xiàn)有強(qiáng)視聽覺刺激調(diào)制弊端（被動(dòng)式、易疲勞），改用感覺意念（主動(dòng)式、自然放松）、多模態(tài)（肌電、心率、血氧等多生理信號組合）誘發(fā)范式，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確性、大指令集、快速無創(chuàng)的BCI采集技術(shù)；提高解碼信息維度，即從現(xiàn)有低維度離散信息（一維或二維視聽）解碼擴(kuò)展至更復(fù)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(shù)。除努力改進(jìn)無創(chuàng)信號采集、處理技術(shù)之外，植入式BCI（將檢測電極埋入大腦皮層組織內(nèi)）因其所得皮層腦電信源優(yōu)質(zhì)而將成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。這有賴于植入電極模式取得突破性改進(jìn)。

從長遠(yuǎn)發(fā)展來看，現(xiàn)有BCI技術(shù)主要是單向解讀大腦信息，尚難以達(dá)到建立起人腦智能與人工智能、生物智能與機(jī)器智能之間有機(jī)交互融合的最終目標(biāo)。因此，BCI技術(shù)最重要的長遠(yuǎn)發(fā)展趨勢將是從目前腦-機(jī)單向“接口”進(jìn)化為腦-機(jī)雙向“交互”并最終實(shí)現(xiàn)腦-機(jī)完全“智能”融合，將生物智能的模糊決策、糾錯(cuò)和快速學(xué)習(xí)能力與人工智能的快速、高精度計(jì)算及大規(guī)模、快速、準(zhǔn)確的記憶與檢索能力結(jié)合，從而發(fā)展為更先進(jìn)的人工智能技術(shù)，并組建由人腦與智能機(jī)器之間交互連接構(gòu)成的新型生物人工智能網(wǎng)絡(luò)。這將徹底改變現(xiàn)有人類與智能機(jī)器之間的關(guān)系，為人類創(chuàng)造前所未有的智能信息時(shí)代新生活。

可以想見，未來，BCI將如現(xiàn)在的鼠標(biāo)、鍵盤一樣，普遍地應(yīng)用于各種需要人機(jī)交互的場合。將BCI技術(shù)植入到人們?nèi)粘ｋS身攜帶的智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備是必然的發(fā)展趨勢。