在電影《阿凡達(dá)》中，主人公杰克是一名前海軍戰(zhàn)士，因?yàn)槭軅荒芤暂喴未?，?jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)用意識(shí)進(jìn)入阿凡達(dá)身體后，他就能用意念控制阿凡達(dá)，行動(dòng)自如。

(資料圖)

這些出現(xiàn)在科幻片里的意念控制，正在一步步走進(jìn)現(xiàn)實(shí)世界，并且在天津就能見(jiàn)到。

5月18日至21日，即將在天津舉行的第七屆世界智能大會(huì)上將展示本市研發(fā)的一系列腦機(jī)交互科技成果，其中包含天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)的最新成果之一——基于無(wú)創(chuàng)頭皮腦電信號(hào)的“神工”腦機(jī)微信操作系統(tǒng)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是腦控版微信。使用者不用雙手操作，不用張嘴說(shuō)話，用無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口即可使用微信所有功能。

視頻中，這位來(lái)自天津醫(yī)院的康復(fù)患者，因突發(fā)事故，7根手指末端遭到嚴(yán)重?fù)p傷并被截?cái)?，喪失了?shū)寫(xiě)、打字等精細(xì)運(yùn)動(dòng)的能力，給生活帶來(lái)了極大的不便。

在使用“神工”腦機(jī)微信操作系統(tǒng)時(shí)，使用者戴上接觸頭皮的腦電帽，操作面前的電腦顯示屏。電腦鍵盤(pán)上的53個(gè)基本指令按鍵，以虛擬鍵盤(pán)的形式呈現(xiàn)在顯示屏上，并用不同的頻率閃爍。使用者想要打字時(shí)，比如說(shuō)要拼寫(xiě)“tianjin”，只需要用眼睛依次盯著要拼寫(xiě)的字符，大腦在接收到每一個(gè)字符閃爍頻率后，就會(huì)積極響應(yīng)，腦電帽即可實(shí)時(shí)采集到使用者的拼寫(xiě)意圖，系統(tǒng)通過(guò)解碼用戶(hù)腦電波，得到用戶(hù)意圖后進(jìn)行識(shí)別，目標(biāo)字符就會(huì)輸出在微信的聊天框中，并輸出文字，從而實(shí)現(xiàn)“意念聊天”。

這位患者使用“神工”腦機(jī)微信操作系統(tǒng)，分別向一直陪伴照顧自己的家人和天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)的老師表達(dá)了感謝。

據(jù)了解，天津大學(xué)這項(xiàng)腦機(jī)接口技術(shù)將眼動(dòng)定位與腦電解碼相結(jié)合，構(gòu)建了首個(gè)面向微信全功能的腦機(jī)操作系統(tǒng)，滿足了用戶(hù)使用微信的日常需求，采用先進(jìn)的眼動(dòng)定位算法和腦電分類(lèi)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶(hù)指令輸出意圖的精準(zhǔn)解碼，準(zhǔn)確率超過(guò)90%。相較于傳統(tǒng)腦機(jī)接口，用戶(hù)可以自主控制是否輸出指令，從而實(shí)現(xiàn)了良好的交互體驗(yàn)。也就是說(shuō)，包括文字輸入、刪除文字、選擇自定義表情、自由選擇聊天對(duì)象、點(diǎn)擊不同模塊等等微信所有交互功能都可以實(shí)現(xiàn)。

什么是腦機(jī)接口？

什么是腦機(jī)接口？這要從我們的大腦談起。

大腦是人體的控制器，主要由800億到1000億個(gè)神經(jīng)元組成，大腦神經(jīng)元對(duì)信息進(jìn)行接收、處理和轉(zhuǎn)發(fā)，神經(jīng)元之間通過(guò)級(jí)聯(lián)方式形成網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步形成更復(fù)雜的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。通常情況下，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的活動(dòng)通過(guò)外周神經(jīng)系統(tǒng)連接身體的感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、語(yǔ)言等信息收發(fā)器官，實(shí)現(xiàn)身體內(nèi)部與外部環(huán)境的信息交互。

而腦機(jī)接口則由“腦”+“機(jī)”+“接口”組成，簡(jiǎn)稱(chēng)為BCI（brain-computer interfaces），指的是將人腦與外界具有處理或計(jì)算能力的設(shè)備（比如電腦或其他裝置）實(shí)現(xiàn)連接，進(jìn)行直接通信的方式。

早在1924年，德國(guó)精神科醫(yī)生漢斯·貝格爾就通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)了腦電波，這意味著人的意識(shí)可以轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)被讀取。此后，腦機(jī)接口技術(shù)的研究開(kāi)始出現(xiàn)。

世界上第一個(gè)開(kāi)發(fā)腦機(jī)接口的人是來(lái)自美國(guó)的神經(jīng)生理學(xué)家、耶魯大學(xué)研究員何塞·德?tīng)柤佣啵?965年，《紐約時(shí)報(bào)》在對(duì)德?tīng)柤佣嗟膱?bào)道中這樣寫(xiě)道：他向植入大腦的裝置發(fā)送無(wú)線電信號(hào)，讓一頭橫沖直撞的公牛停了下來(lái)。

近年來(lái)，瑞士、美國(guó)、日本、歐盟等國(guó)家和地區(qū)都在積極布局，推出了針對(duì)腦機(jī)技術(shù)的許多重大研發(fā)計(jì)劃及投資項(xiàng)目，Meta、谷歌、亞馬遜等商業(yè)巨頭在腦機(jī)接口領(lǐng)域的成果也不斷涌現(xiàn)。

如今主流的腦機(jī)接口技術(shù)，分為侵入式和非侵入式，前者需要進(jìn)行頭部手術(shù)，將傳感電極植入顱骨內(nèi)來(lái)探測(cè)神經(jīng)元信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生一定的創(chuàng)傷，也伴隨著風(fēng)險(xiǎn)。這兩年比較火的侵入式腦機(jī)接口當(dāng)屬由埃隆·馬斯克2016年聯(lián)合創(chuàng)立的Neuralink公司，致力于開(kāi)發(fā)可植入大腦記錄并刺激大腦活動(dòng)的腦芯片。2020年8月29日，馬斯克在活豬身上演示了“腦機(jī)接口”技術(shù)Neuralink，該裝置實(shí)現(xiàn)了對(duì)豬行為軌跡的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。2021年4月9日，Neuralink展示猴子用意念玩模擬乒乓球游戲《Pong》，這只猴子大腦中植入了腦機(jī)接口，通過(guò)腦電波控制球拍，大腦中的設(shè)備記錄了猴子玩游戲時(shí)神經(jīng)元放電的信息，學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)它將做出的動(dòng)作。

天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)多年深耕的，是非侵入式腦機(jī)接口技術(shù)，無(wú)需進(jìn)行有創(chuàng)手術(shù)，只需要在頭皮表面布置相應(yīng)的傳感器電極來(lái)采集大腦皮層的神經(jīng)活動(dòng)。

“侵入式，嚴(yán)重的神經(jīng)疾病患者還是很適用的，比如說(shuō)傳統(tǒng)的治療方法已經(jīng)沒(méi)有很好的效果，我們采用這種侵入式的方式來(lái)看他神經(jīng)元的活動(dòng)，它的優(yōu)點(diǎn)在于距離從物理空間上離神經(jīng)元更近，所以它采集到的信號(hào)質(zhì)量會(huì)更好。”腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室副主任、天津大學(xué)醫(yī)學(xué)部副主任倪廣健對(duì)比了兩種方式的特點(diǎn)：“非侵入式，由于有頭皮顱骨和頭發(fā)的物理阻礙，所以它采集起來(lái)相對(duì)難度就會(huì)更大一點(diǎn)，但是它獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)是無(wú)創(chuàng)和對(duì)全腦信號(hào)的同步監(jiān)測(cè)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和信號(hào)質(zhì)量的持續(xù)提升，從受眾面的廣度和寬度來(lái)講，非侵入式腦機(jī)接口對(duì)消費(fèi)級(jí)和產(chǎn)業(yè)化更有優(yōu)勢(shì)?！?/p>

腦機(jī)接口有什么用？

天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)研究腦機(jī)接口的初衷，是希望為腦卒中患者等因神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起的運(yùn)動(dòng)障礙的人群提出康復(fù)方案，通過(guò)機(jī)器采集和讀取腦電信號(hào)，解碼輸出控制信號(hào)，讓身體執(zhí)行，為患者建立新的人工運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通路，重新獲得運(yùn)動(dòng)能力。

2014年，由天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)研發(fā)的首臺(tái)適用于全肢體中風(fēng)康復(fù)的人工神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)——“神工-神機(jī)”研制成功。隨后此產(chǎn)品的二代、三代成果相繼研發(fā)成功。中風(fēng)偏癱患者在“神工-神機(jī)”幫助下，可以在反復(fù)訓(xùn)練后起立行走、拿筆書(shū)寫(xiě)，逐漸康復(fù)。

▲環(huán)湖醫(yī)院患者穿戴神工機(jī)器人

視頻中，今年3月，環(huán)湖醫(yī)院的一名40歲輕度腦卒中康復(fù)期患者，正穿戴著由天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“神工-神甲”外骨骼機(jī)器人進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。這套設(shè)備通過(guò)分析患者腦部發(fā)出的信號(hào)，向下肢電刺激驅(qū)動(dòng)型外骨骼發(fā)送指令，帶動(dòng)患者偏癱側(cè)肢體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，喚醒神經(jīng)沉寂區(qū)。這名患者在機(jī)器人的輔助下進(jìn)行兩周康復(fù)訓(xùn)練后，左下肢步態(tài)已經(jīng)有明顯好轉(zhuǎn)，頭暈現(xiàn)象有所緩解。

“神工”系列人工神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)已通過(guò)國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局（CFDA）檢測(cè)，并在多地醫(yī)院臨床測(cè)試成功，獲批國(guó)家醫(yī)療器械注冊(cè)證，受益患者3000余例。

如今，天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)的腦機(jī)交互成果，除了為相關(guān)患者帶來(lái)福音以外，也正呈現(xiàn)出越來(lái)越廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。不僅可以改變殘疾人、行動(dòng)不便人士生活，還可以提升人類(lèi)認(rèn)知和思考的能力。

2019年1月，天津大學(xué)的畢業(yè)生收到一份特殊的禮物——一份通過(guò)“意念”書(shū)寫(xiě)的“福”字。受試者只需佩戴可測(cè)量腦電波的腦電極帽，并想象移動(dòng)手臂，就可以讓與電腦系統(tǒng)相連的機(jī)器臂隨意念而動(dòng)，在紙張上一筆一畫(huà)地寫(xiě)出“?！弊帧?/p>

天津大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)的成果還走向了太空。2016年，在我國(guó)天宮二號(hào)與神舟十一號(hào)載人飛行任務(wù)中，天大團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)航天員中心成功開(kāi)展了人類(lèi)歷史上首次太空腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)。

天津大學(xué)醫(yī)工院副院長(zhǎng)、神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)教授許敏鵬說(shuō)：“航天員在太空環(huán)境，完成復(fù)雜作業(yè)任務(wù)受到極大的限制，腦機(jī)交互可以不依賴(lài)外周神經(jīng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，未來(lái)，將航天員的思維活動(dòng)轉(zhuǎn)化為操作指令，同時(shí)又能監(jiān)測(cè)航天員的腦力負(fù)荷等神經(jīng)功能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互適應(yīng)，減輕作業(yè)負(fù)荷，是最為理想的人機(jī)交互方式。”

據(jù)了解，實(shí)驗(yàn)獲取了空間飛行中航天員的腦機(jī)交互生理特征變化情況，并初步驗(yàn)證了意念控制在航天任務(wù)中的可行性，腦機(jī)交互技術(shù)的在軌適用性，為未來(lái)腦機(jī)接口技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

技術(shù)的發(fā)展，要靠一代又一代的人才來(lái)推動(dòng)。2018年，教育部批準(zhǔn)創(chuàng)辦“智能醫(yī)學(xué)工程”本科新專(zhuān)業(yè)，這是我國(guó)首個(gè)智能方向的醫(yī)學(xué)類(lèi)本科專(zhuān)業(yè)，天津大學(xué)開(kāi)風(fēng)氣之先。同一年，天津大學(xué)在醫(yī)工院設(shè)立了全國(guó)首個(gè)“智能醫(yī)學(xué)工程”二級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)，目前智能醫(yī)學(xué)工程第一批學(xué)生全部選擇繼續(xù)深造，在天津醫(yī)院、兒童醫(yī)院等三甲醫(yī)院里接受聯(lián)合培養(yǎng)。

世界智能大會(huì)上見(jiàn)！

今年三月，由天津市政府主導(dǎo)，天津大學(xué)牽頭，聯(lián)合中電云腦、海河產(chǎn)業(yè)基金等10余家優(yōu)勢(shì)單位共建而成的天津市第六家海河實(shí)驗(yàn)室──腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室正式揭牌，將成為我國(guó)腦機(jī)交互領(lǐng)域自主創(chuàng)新的重要源頭、天津人工智能支柱產(chǎn)業(yè)的核心支撐、天津制造業(yè)立市的技術(shù)底盤(pán)。

目前，腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室擁有多個(gè)國(guó)家級(jí)研究基地和10余個(gè)省部級(jí)創(chuàng)新平臺(tái)，擁有無(wú)創(chuàng)腦機(jī)交互關(guān)鍵核心技術(shù)，布局了國(guó)際最大最全面的腦機(jī)交互專(zhuān)利池，實(shí)現(xiàn)了腦機(jī)交互全技術(shù)鏈條覆蓋。腦電識(shí)別精度、控制指令數(shù)量和信息傳輸率三項(xiàng)核心指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際最高水平。

即將于5月18日至21日在津舉辦的第七屆世界智能大會(huì)上，將集中展示本市腦機(jī)接口技術(shù)成果，除了前文所述的“神工”腦機(jī)微信操作系統(tǒng)，還有具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的世界首款腦機(jī)接口采集及編解碼芯片，腦語(yǔ)者C系列和D系列，以及國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口、神經(jīng)肌肉電刺激和機(jī)械外骨骼的自主研發(fā)和集成應(yīng)用的“腦機(jī)助行系統(tǒng)”，自主研發(fā)的“國(guó)內(nèi)首款抑郁癥智能診斷機(jī)器人”神工-神心系統(tǒng)等等。除此之外，還將有智能科技領(lǐng)域的院士專(zhuān)家與世界500強(qiáng)知名企業(yè)家將聚焦腦機(jī)交互進(jìn)行深入探討。

5月18日，世界智能大會(huì)見(jiàn)！（記者：趙征 編輯：陳彤、霍然）