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小榕(一顶神奇帽子让你“心想事成”脑机互联用“意念”开车不再是梦)

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发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

在日常生活中，人们通过动作、语言实现相互交流。有没有一种可能，让人们略过表达过程直接通过脑电波进行交流呢？当然可以！在清华大学医学院的神经工程实验室里，教授高上凯和高小榕带领团队已经做了20年的脑机接口研究，让“意念操控”成为现实。脑机接口技术可以通过实时记录大脑活动，把其中携带的信息“解读”出来，变成计算机也能明白的指令。记者日前探访了该实验室，揭秘脑机互联是如何“心想事成”的。

高小榕正在指导学生开展脑机交互研究

探访 神奇帽子

解读“意念”

顾名思义，脑机接口技术是一种在大脑和计算机之间建立直接联系的技术，不需要外周神经肌肉组织参与。

在清华大学医学院神经工程实验室里，一名学生戴上了一顶奇特的帽子，上面密密麻麻地分布着各种传感器。只见他目不转睛地盯着眼前的电脑屏幕，上面一张张字母卡片在不断闪烁。

高小榕教授介绍，人类的大脑时时刻刻都在活动，伴随大脑神经活动的脑电波信号也在这一过程中不断产生。如何获取这些脑电信号，并与计算机系统相连接进而读取信息是关键。目前主要通过两种方式进行研究，一种是侵入式脑机接口，即通过开颅手术直接在大脑皮层植入电极来记录脑活动。这种方式可以直接监测到大脑皮层的活动，但因为安全性和手术创伤等问题，目前还处于实验室探索阶段。另一种就是现场学生们正在开展的非侵入式脑机接口。它只需要像戴帽子一样佩戴上脑电采集帽就可以实现。“这种方式的弱点也显而易见。毕竟我们读取的脑电是透过厚厚的颅骨传递出来的，信号质量要差一些，因此准确解读这些脑电信号的算法就变得尤为重要。”高小榕说。

1999年高小榕就开始做脑机接口的研究，到今年已经整整20年了。他带领团队首先提出了稳态视觉诱发电位脑机接口，大大提升了“意念控制”的准确率。

如何理解这种大脑与计算机互通的原理呢？高小榕说，大脑神经电信号存在跟随效应，如果以一定规律对人施加外部刺激，例如让人看一个每秒闪烁15次的小方块，就会发现从头皮上记录到的脑信号也具有对应的规律，每秒起伏15次。所以，如果给人呈现以不同规律闪烁的小方块，并给它们预先设计好不同的含义，那通过分析脑信号的规律，就可以知道人在看哪个方块，想要输入哪种指令。

应用1

“渐冻症”患者能重新“开口”了

在今年夏天举行的世界机器人大会上，有一场特殊的脑控打字记录挑战赛备受关注。赛场上，选手们戴着特殊的“头盔”紧盯电脑屏幕，用“意念打字”展开比拼。最终来自天津大学的魏斯文以每分钟691.55比特的理想信息传输率获得冠军。作为大赛的专家组副组长，高小榕告诉记者，参赛选手采用的就是非侵入脑机互联方式，魏斯文当时的成绩相当于在100%准确率下以0.413秒输出一个英文字母。这个速度已经高度接近我们日常使用手机进行文本输入，“已经非常了不起！”他说。

利用脑机接口进行信息交互，在康复领域也大有可为。今年，高小榕团队的研究成果就让一位“渐冻症”患者重新“开口”与家人交流。平面设计师王甲是一名“渐冻症”患者，过去的他热爱运动，英俊阳光。但随着病魔侵袭，王甲失去了生活自理能力，无法站立，不能移动手脚，甚至无法说话，只有眼球会动。“其实他能听，能思考，但就是无法表达，很痛苦。”高小榕说，通过与王甲家人沟通，团队针对王甲的生理特点，开发了最适合他的脑机接口算法。

投入使用的那天，研究团队早早来到王甲的家中，帮王甲洗干净头发，戴上“头盔”。开机打开程序后，王甲紧盯着屏幕的一个个字符，眼球不时轻轻转动，随后神奇的一幕发生了：屏幕上跳出一个“擦”字。王甲的父母首先读懂了这个字的含义，马上帮他擦净嘴角的口水。紧跟着，屏幕上又跳出一句话：感谢大家的关心！王甲的父母激动地流下了泪水，“以后终于能跟孩子交流了！”

应用2

智能机器人替人“跑腿儿”

在不久前举行的北京地区广受关注学术论文报告会（生物医学工程）专场中，高小榕又向大家展示了另一个神奇的研究领域：基于小腿表面肌电的智能机器人协同控制方法。通俗地理解就是：通过捕捉肌肉的电信号，让机器人替腿干活儿。“这样又能大大改善一大批行动障碍群体的生活质量。”高小榕说。

2014年，高小榕团队接受了一家国内顶尖科技民营企业的邀请，开始带队攻坚，目标是通过采集肌肉电信号，解读人的步态。以此开发的智能设备既可以预警老年人的跌倒问题，也可以研发智能假肢、智能轮椅等，通过判断用户腿部肌肉信号，智能识别用户的行动意愿，驱动双腿或者轮椅前行、后退。肌肉电信号是一种电生理信号，通过计算机从相应的骨骼肌对应的体表上获取，因为没有了颅骨等阻碍，采集起来比脑电信号容易的多，信号可靠，易于辨识。但研发过程中也存在疲劳速度快、信号不稳等困难。高小榕带着团队学生做了大量的努力，终于获得成功。

这套人机交互系统通过肌电采集模块采集受试行走中的肌电信号，将其放大采集后通过蓝牙通讯送入模式识别模块；模式识别分析模块再对信号进行处理，发送给机器人控制模块，实现对智能机器人的控制。实验显示，8位受试者在实时交互控制中，分别执行前进、后退、左转、右转4种步态各320次。所有实验的机器人识别率均高达80%以上，其中前进、后退的识别率高达90%以上。

前景

用意念打电话开车

不再是梦

高小榕说，传统的人机交互是手为主，比如敲击键盘、点击鼠标，或者触摸电子屏幕。近年来随着人工智能的发展，又陆续出现了通过语音、视频图像（人脸识别）等方式进行人机交互。未来，脑机交互将逐渐登上主舞台，“我们可以用意念来实现打电话，收发短信，甚至开车。”此外，脑机交互在个人隐私保护方面也将大有可为。因为指纹乃至人眼虹膜，都是可以复制的，但人的脑电波肯定无法复制。

高小榕说，今年的脑控打字记录未来会很快被打破。按照摩尔定律，计算机性能每18个月会提升一倍。脑机交互的效率也会由此提升。他们做过测算，10年后，脑机交互的速率有可能提升4倍以上。到那时，用“意念交流”速度将不是问题。

“看似玄幻，难以相信，但很多研究就是从科幻走到科学，然后走到技术应用。脑机交互，已经走向技术应用了。”高小榕团队面向未来的研究也早已铺开。他们正在研发的脑电采集设备将不再是一顶略显丑陋的帽子，而是精致美观的耳机，采集到的脑电波信号将实现无线高速传输，帮人类自由掌控各类穿戴智能设备、家居设备、汽车……

记者了解到，目前国内清华大学、华南理工大学、国防科学技术大学、天津大学、浙江大学、西安交通大学、华东理工大学等诸多大学和研究机构都在涉足脑机接口的研究，并且成果颇丰。我国在脑机接口研究领域发表的论文数量仅次于美国，排名第二。全球该领域25篇高引论文中有9篇来自中国。在脑机接口的应用方面， 华南理工大学在100余例严重瘫痪病人上进行了临床试用，天津大学在天宫二号上成功实现了人类首次太空脑机接口实验。

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