“阿凡達”場景成真？意念操控電腦、電燈將成為現(xiàn)實

每經(jīng)記者 張懷水    每經(jīng)編輯 陳旭 鄭直    

圖片來源：攝圖網(wǎng)

看過電影《阿凡達》的觀眾可能會對影片中這樣一個情節(jié)記憶猶新：在潘多拉星球上，下身癱瘓的男主角躺在密封艙中，通過頭上戴著的設(shè)備，用意念操控人造的混血生物阿凡達。

這種看似天馬行空的橋段，很有可能在不久的將來成為現(xiàn)實！

近日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》旗下的《機器人技術(shù)》（Science Robotics）刊登了腦機接口（BCI）領(lǐng)域的一項突破性成果——美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的賀斌教授帶領(lǐng)其研究團隊與明尼蘇達大學(xué)合作，成功開發(fā)出第一款非侵入式的意念控制機械臂，能夠連續(xù)跟蹤隨機運動的計算機光標。

有業(yè)內(nèi)人士認為，這項技術(shù)不僅可以幫助眾多癱瘓患者和運動障礙患者提升生活質(zhì)量，而且由于該項技術(shù)不需要在頭上手術(shù)植入電極和芯片，而是直接從人的頭皮上獲取神經(jīng)信號，因此更有可能應(yīng)用到生活場景，給人類生活帶來顛覆性的體驗。

每日經(jīng)濟新聞（微信號：nbdnews）記者注意到，賀斌團隊并非首次在這一研究領(lǐng)域嶄露頭角。據(jù)僑報網(wǎng)2014年公布的消息稱，美國國家科學(xué)基金會當(dāng)年3月公開征集“腦計劃”研究項目，最終決定在600個申請中資助36個項目，其中賀斌教授正是獲得資助的科學(xué)家之一。

首個非侵入式意念控制機械臂誕生

想要依靠意念控制外物，離不開腦機接口技術(shù)。所謂的腦機接口技術(shù)是指腦、機、接口三者的結(jié)合，是將大腦的信息通過適當(dāng)?shù)慕涌诩夹g(shù)進行讀取，并操控外部設(shè)備的動作。這些外部設(shè)備可以是一個機械臂，可以是虛擬鍵盤，也可以是其他任何想要操控的東西。

盡管腦機接口技術(shù)已經(jīng)運用于醫(yī)學(xué)，但大多屬于有創(chuàng)的腦機接口，需要通過手術(shù)向頭部植入電極來實現(xiàn)腦電信號的獲取。這樣做的好處就是可以直接從大腦皮層獲取信息，可以避免神經(jīng)信號因為遠距離傳輸而衰減，具有極高的信噪比和良好的分辨率。

然而，賀斌團隊研發(fā)的則是一種可與大腦無創(chuàng)連接的腦機接口，也是史上首個非侵入式意念控制的機械臂。

據(jù)了解，目前這項技術(shù)已經(jīng)在68名身體健全的人類受試者中進行了測試，已成功實現(xiàn)了普通人對虛擬設(shè)備和機器臂的控制。研究人員表示，該團隊計劃在不久的將來進行臨床試驗，未來這項技術(shù)也可能像智能手機一樣在大眾中普及，讓每個普通人都能擁有“意念操縱物體”的超能力。

如果無創(chuàng)腦機接口應(yīng)用到商業(yè)或者生活場景，又會產(chǎn)生怎樣的影響呢？據(jù)網(wǎng)絡(luò)公眾號“財經(jīng)要參”描述，無創(chuàng)腦機接口無需頭上開洞手術(shù)植入電極和芯片，而是直接從人的頭皮上獲取神經(jīng)信號，戴一頂“電極帽”就可以指揮外物，可以說是隨戴隨取。

試想未來某一天你早上醒來，只要心里想一想，燈就開了；再默默下個指令，咖啡機就開始自動煮起了咖啡……這種顛覆性的技術(shù)，將徹底改變?nèi)伺c機器的交互方式。

全球市場規(guī)模將達數(shù)千億美元

2014年巴西世界杯開幕式，癱瘓青年利亞諾·平托穿著龐大、笨重的骨骼服，通過腦機接口踢出了當(dāng)年世界杯的第一球。

國內(nèi)某電視臺綜藝節(jié)目《挑戰(zhàn)不可能》上，漸凍人王甲借助清華大學(xué)神經(jīng)工程團隊為其打造的一款無創(chuàng)腦機接口打字系統(tǒng)，通過對視覺神經(jīng)信號的解碼來完成打字的任務(wù)。

與普通人想象中只存在于實驗室中的神秘“黑科技”略有不同，實際上腦機接口技術(shù)已經(jīng)在悄然興起，并有望迸發(fā)出巨大的潛力。

2017年，硅谷Live聯(lián)合哈佛大學(xué)腦科學(xué)中心科學(xué)家共同打造中美首份腦機接口行業(yè)分析長文，腦機接口是一種全新的輸入輸出方式，其應(yīng)用將橫跨數(shù)個行業(yè)領(lǐng)域。腦機接口操作系統(tǒng)也極有可能成為繼Windows（電腦操作系統(tǒng)代表）、iOS（手機操作系統(tǒng)代表）、Alexa（語音操作系統(tǒng)代表）之后的又一新型人機交互系統(tǒng)。

該文章指出，單純從腦機接口設(shè)備（EEG/EMG）的維度來看，市場規(guī)模在5年內(nèi)將達到25億美元；而從腦機接口將深度影響的數(shù)個科技領(lǐng)域來看，市場規(guī)模在5年內(nèi)將達到數(shù)千億美元，其中包括ADHD腦機接口反饋治療460億美元；大腦檢測系統(tǒng)120億美元；教育科技2500億美元；游戲產(chǎn)業(yè)1200億美元。

根據(jù)研究機構(gòu)Allied Market Research的研究報告，全球腦機接口市場從2014~2020年的年復(fù)合增長率預(yù)計達到11.5%。腦機接口在醫(yī)療保健、智能家居控制、娛樂和游戲等領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員王毅軍表示，腦機接口是讓大腦和機器直接溝通的一種系統(tǒng)，它可以讓人腦與機器互聯(lián)，人機之間的信息傳遞或通訊控制會變得更加方便。“未來可以通過腦機接口實現(xiàn)生物智能與機器智能的融合，即腦機混合智能，使大腦與大腦之間，大腦與計算機之間直接進行信息溝通，信息溝通的效率將大大提高，從而真正實現(xiàn)‘心想事成’和‘意念控制’。”

有望突破低信號分辨率掣肘

記者通過梳理發(fā)現(xiàn)，人類從上世紀90年代就開始研究如何用意念遠程操控外物，相關(guān)的新聞報道也十分多見。對于機械臂而言，舉起重物、抓取物品等行為早已如同探囊取物，但高精度、靈敏的運動規(guī)劃依然困難重重。

有專家指出，用非侵入式腦機接口控制的機械臂一直以不穩(wěn)定、不連續(xù)的方式跟隨電腦上光標的移動，看起來就好像屏幕卡頓了一樣，延遲問題非常明顯。

腦機接口主要分為侵入式、部分侵入式和非侵入式三種類型。侵入式需要往大腦里植入神經(jīng)芯片、傳感器等外來設(shè)備；部分侵入式一般植入到顱腔內(nèi)、灰質(zhì)外；而非侵入式通常是通過腦電帽接觸頭皮的方式，間接獲取大腦皮層神經(jīng)信號。

科技領(lǐng)域公眾號“智東西”在文章中指出，非侵入式腦機接口使用的是外部傳感器，價格相對低廉且更方便人們佩戴，但因為不是直接接觸，它接收到的信號會有更多的噪音，導(dǎo)致它記錄到的信號分辨率和控制精度很難達到侵入式那么高。

文章指出，2013年，全球非侵入式腦機接口已經(jīng)占整個腦機接口市場收入的85%，但并沒有表現(xiàn)出穩(wěn)定的增長狀態(tài)。

王毅軍也認為，盡管前景十分美好，現(xiàn)階段腦機接口技術(shù)還存在很多尷尬的問題。侵入式的腦機接口，在大腦中植入電極后，周圍的膠質(zhì)細胞會逐漸將電極包裹起來，電極監(jiān)測到的神經(jīng)元活動會越來越少，幾年甚至幾個月后，電極就完全監(jiān)測不到神經(jīng)元活動。

“腦機接口的應(yīng)用效果也不是很理想。比如通過腦機接口操控的機械臂還很難像真人的肢體一樣靈活。總體來說，腦機接口系統(tǒng)還缺乏安全、高效、成本又低的解決方案。”王毅軍說。

不過，本次《機器人技術(shù)》刊載的這項成果卻有望突破以往存在的掣肘，取得關(guān)鍵性進展。據(jù)賀斌團隊研究人員介紹，這種無創(chuàng)腦機接口技術(shù)采用腦電圖記錄大腦深處的信號，并利用腦電圖源成像技術(shù)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)提高了以往對機器臂的高分辨率控制。

據(jù)介紹，相比其他無創(chuàng)的腦機接口技術(shù)，在二維平面控制光標移動的傳統(tǒng)任務(wù)中，這種新技術(shù)的機器學(xué)習(xí)能力提高了近60%。而在另一個更接近現(xiàn)實使用的情境中，也就是由用戶采用運動想象來連續(xù)追逐隨機移動的光標，這個任務(wù)的學(xué)習(xí)成績提高了5倍以上。