腦語者:腦科學時代正在走來—新聞—科學網

2020-12-05 科學網

 

【科技前沿】

心隨所想。天津大學醫學部的白色小樓中，牆上的大屏幕顯示著「歡迎來到醫學部，你們是今天上午第五撥參觀者。」佩戴著電極帽的志願者靜默無聲，牆上的字是他的心聲。這段文字同樣可以發送給千裡之外的接受者。

隨心所動。在手臂上貼上幾個電極片，心裡默念「出拳」，手臂不自覺地真的打出一拳。這項技術成為癱瘓病人的福音。

新年伊始，在天津大學醫學部，一場「黑科技」展悄然舉行。這種「黑科技」捕捉人腦發出的腦電信息，經過解讀、處理，轉變為控制機器的信號。這個展覽就是國家重點研發計劃「智慧機器人」重點專項「生-機智能交互與生機電一體化機器人技術」樣機展示會。

癱瘓者的福音

5年前，當自己的左腿在意念的控制下終於「踢」出去的時候，77歲的腦中風患者鄭桂榮驚喜地發現，自己「癱」了8個月的腿，竟然又「聽使喚」了：「心思一動，腿就可以開始抬起來了。」

在天津醫院康復科的治療室裡，47歲的患者王楊佩戴好腦-機接口設備後，根據電腦提示，進行手腕功能康復訓練。經過3個多月的治療，他已經能自行進行腕關節旋轉、踝關節背曲等。

全球首款腦機接口專用晶片「腦語者」研發團隊領導者、天津大學醫學工程與轉化醫學研究院院長明東介紹：「大腦是宇宙中最複雜的系統之一，不但有極為複雜的神經網絡結構，還有千變萬化的動態信息。每說一句話，大腦裡都可能有上億個神經細胞在不斷發放電脈衝。一臺高速運轉的電腦正在將大腦的信號接收下來、解讀出來。利用腦-機接口技術實現的醫療康復，正在改變人們的生活。」

2014年天津大學研製成功首臺適用於全肢體中風康復的人工神經機器人系統——「神工一號」。融合了運動想像腦-機接口技術和物理訓練康復療法，該系統在中風患者體外，仿生構築了一條人工神經通路，經過模擬解碼患者的運動康復意念信息，進而驅動多級神經肌肉電刺激技術，產生對應動作。隨著「神工二號」「神工三號」相繼研發成功，目前，「神工」已經在天津、山東多地三甲醫院進行臨床試驗，為數千名患者帶來新的治療手段。

意念的交流

2016年，天宮二號和神舟十一號載人飛行中，兩位航天員完成了一項頗具科幻色彩的前瞻性實驗：人類歷史上首次太空腦—機交互，實現了靜默的交流。這套實驗系統研製正是由明東團隊與中國航天員中心合作完成。

這是國際上首次在軌進行腦-機交互技術空間適應性測試。該系統通過大量地基實驗深入揭示失重、噪聲、情緒等對腦電影響，實現了高識別度、高穩定性、適於空間環境的腦-機接口自適應分類技術；建立了針對航天特徵的實驗策略和訓練方法，大幅提高系統識別正確率，為有效開展天地差異對比建立穩定基線。人機融合將是未來航天醫學與人因工程發展的必然趨勢，腦-機接口為航天員等特殊人群提供肢體約束環境下的「第三隻手」和神經功能層面融合的自適應自動化人機協作，幫助他們完成更多更複雜的工作任務。該系統的建立和成功測試將為未來深入開展先進交互技術在軌適應性研究和技術應用起到重要推動作用，為我國載人航天工程的新一代醫學與人因保障系統提供了關鍵科學依據與技術支撐。

明東介紹：「上天設備既要照顧到荷載限制，又要在太空全部完成主動式、被動式、反應式3種主流範式的任務，系統要求重量小、性能高、更集約。」考慮把功能更強大的腦-機編解碼集成晶片作為研究方向。

世界各國都加大了對腦-機接口技術的研究，從軍事航天到生活娛樂，腦-機接口技術應用前景廣闊。腦科學時代正在走來。

把未來抓在自己手中

腦-機接口一直被列為美國最優先支持發展的顛覆性創新技術之一，也是美國商務部14項出口管制技術之一。

「目前在我國的腦—機接口技術研究中，在腦電採集和數據處理兩大核心環節上，我們還都依賴於進口腦電採集前端晶片和高性能處理器。」明東表示，「受腦電採集方式、計算設備等限制，當前腦-機接口技術在解碼可靠性、使用便捷性等方面仍面臨巨大挑戰。開發一款自主可控的腦-機接口專用晶片迫在眉睫。」

2019年5月，在第三屆世界智能大會上全球首款腦機接口專用晶片「腦語者」在第三屆世界智能大會正式發布。由天津大學和中國電子信息產業集團聯合研發的腦語者，擁有完全自主智慧財產權。

「精解碼、高指令、快通信、強交互，這是『腦語者』的四大優勢。」據明東介紹，「該晶片可以識別出頭皮腦電中極微弱的神經信息，高效計算解碼用戶操作指令，極大提升大腦與機器之間的通信效率，拓展功能充分滿足日常交流需求，讓腦-機交互設備真正成為使用者的『第三隻手』。」

「將來，『腦語者』有望為腦-機交互技術走向民用化、便攜化、可穿戴化及簡單易用化開闢道路。那樣就可以使患者能夠在社區和家庭完成康復治療。」 明東說，「而在該款晶片民用化的問題上，研究人員已經進行了一些思考和嘗試。」

中國電子信息產業集團數據科學家、中電雲腦科技有限公司總經理程龍龍也表示，「腦語者」系列晶片有望實現我國腦-機接口關鍵技術自主可控，引領我國腦科學和類腦智能研究變道超車。未來該晶片系列還將不斷「進化」，為新一代腦機智能發展提供技術支撐。

 

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