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戴着腦電帽控制機械臂寫漢字 人與機器的界限被打破?
發佈人:來康聖      信息來源:人民網      發佈日期:2021-05-28 09:21:50      瀏覽次數:2174次

假如生活在未來的人觀看今天的科學影像記錄,他恐怕會被眼前這頂帽子逗笑。

它看上去像泳帽,表面佈滿指甲蓋大小的金屬片,上面鑲嵌着電極,用來採集腦電信號。戴上這樣一頂腦電採集帽需要花費一點時間,為了讓那些金屬製品隔着骨頭、肌膚、體液更好地讀懂人腦,研究者還得想辦法拉近他們的距離——填入膏狀電解質凝膠,讓頭皮和金屬電極的接觸更加緊密。

聽上去,戴這頂帽子可不太舒服。但眼下,它帶來的神奇感絕對能對沖不適感。它肩負着窺探人腦祕密的使命,從上世紀末開始,人們通過它將捕捉到的人腦信號轉化為指令,操控外部設備實現“意念控制”。

2021年春節前,天津大學神經工程團隊的兩個95後大學生戴着腦電帽,共同想象着一個漢字,他們的腦電信號被捕捉並轉化為指令,握着毛筆的機械手臂在紅紙上寫出“福”字。

這是世界上第一次採用多人協同方式腦控機械臂、用意念“寫”出漢字。


新的世界紀錄誕生了

23歲的女研究生羅睿心是那個“福”字的“執筆者”之一。想讓“電腦朋友”更好地理解自己,和人類一樣,也得花時間相處。

交朋友的方式直接又沉默。羅睿心戴上嵌有64個電極的帽子,端坐在光標閃爍的電腦屏幕前,讓目光在216個點位上逐一停留至少5秒鐘,電腦即時記錄下她注視不同光標時產生的不同腦電波。

當她想試着寫出一橫時,只需用眼神在屏幕上“劃”出一橫,“電腦朋友”就能從她眼神在不同點位的遊走軌跡,分析出腦電波產生的變化,進而明白她的意圖。

她還需要照顧“電腦朋友”的反應速度。這一筆“寫”得太快,對方來不及作出反應。她要摸清“朋友”的節奏,同時讓自己想象筆畫時的注意力更集中一些,大約15分鐘之後,雙方交流信息的準確率能達到90%以上。

27歲的生物醫學工程博士生韓錦是這套雙人腦控機械臂書寫系統的搭建者,他解釋,實現腦控的前提是讓機器讀懂人的思維意圖。

機器學習和數學建模方法能在不同的腦電波與各異的思維任務之間建立起映射模型,識別出不同的思維意念,也就是“約定”一個人和計算機都理解的溝通方式。每個人的腦電特徵都是獨一無二的。“同一個人,在不同時間、不同狀態下,完成同一任務時產生的腦電波也不一樣。”韓錦説,為了保證任務準確率,每次執行任務之前,都需要先進行人機訓練,“彼此熟悉一下。”

一般來説,被試者需要先作出一系列不同的動作,讓計算機從電極讀取數據,大致弄明白,哪種動作意圖會觸發什麼樣的腦電波。下一次,當同樣的腦電波出現時,計算機就能明白,是要做什麼動作了。

2018年韓錦第一次在實驗室裏嘗試用意念打字母,“我在這邊想,那邊的屏幕上就跳出一個個字母,感覺特別科幻。”一年以後,“哪吒”腦控智臂機器人系統在那間實驗室裏誕生。

寫漢字比寫字母難得多。羅睿心和隊友把“福”字按筆劃拆解為多個部分,兩人平均分配,她負責控制左邊的偏旁和右邊的口字,另一人負責福字右上的橫和下面的田字。

兩位“執筆者”盯着屏幕上每個筆劃,從起點到終點,光束直擊視網膜,大腦中長得像八爪魚一般的神經元們受到刺激,誘發出相應的腦電波。

大腦像俄羅斯套娃的核心,被組織層層包裹,顱骨導電能力不好,“執筆者”必須足夠專注,儘量減少肢體運動,才能產生一個“穿透力”十足的腦電信號,穿過腦膜、腦脊液、顱骨……抵達頭皮上的電極。

一台計算機同時“對話”多人,能省去一個個“談心”的時間。相比單人腦控,雙人協作操控機械臂要解決的問題更為複雜,需要設計合理的任務分配策略,使兩人以最高效率完成操控任務,且不能相互衝突。

羅睿心和隊友同時發出的意念指令,被計算機同時接收,再按照效率優先的順序指示機械臂完成書寫。整個書寫過程用時3分鐘,比單人速度提升了一倍。

“人類活動中,有很多複雜精細的工作,是單人無法完成的,需要多人共同合作。”韓錦説,這次是雙人操控單個機械臂,未來可以實現多人、多個機械臂共同完成一些更繁重或更精細的任務。比如宇航員在外太空腦控機械臂完成機械維修等。

長期以來,腦控技術面臨的一個關鍵問題,就是如何完成更多的任務,又能保持更高的速度。“快”與“好”之間存在着天然的矛盾,天津大學醫學工程與轉化醫學研究院副教授許敏鵬説,在以往的研究中,可完成的最大BCI(腦機接口)指令是84個,但單個指令的識別時間超過8秒;如果識別時間縮短到0.8秒,就僅能完成40個指令。

天大團隊將“意念打字”常見的兩種腦電波範式——P300和SSVEP融合起來,兩者在穩定性和速度上各具優勢,一個精細分辨出微弱腦電特徵,一個快速破譯解碼。這一次,他們創下了頭皮腦電BCI在線控制216個指令的世界紀錄,在國際上實現BCI信息輸出方式由“拼”到“寫”、由單人到多人的重大變革。被打破的舊的世界紀錄是108個指令,2年前亦由他們創造。


窺視“三磅宇宙”的小窗

此時,距離人類的老祖先發明石器已經過去兩三百萬年。聰明的大腦幫助人類解鎖更寬闊的世界,而大腦本身則一直是科學探索的祕境。

科學家用浩瀚無垠的宇宙形容大腦的複雜,它也因此被稱為“三磅宇宙”(3磅約等於1.36千克,接近成年人腦的重量)。天津腦科學與類腦研究中心主任、天津大學科研院常務副院長明東表示,腦科學是人類認識自然的“最後的疆域 ”。

僅3磅重的大腦,是宇宙中已知的最複雜的物體,神經工程師將其描述為“目前已知信息密度最大、結構化程度最高而且自我組織最完整的東西”。它質地類似果凍,運行時功率僅為20瓦,啓動一台性能同樣強大的計算機需要2400萬瓦。

在某種意義上,你從鏡子裏看到的自己不過是那個3磅重“果凍”的一個載體。在美國影片《黑客帝國》裏,只要在腦後插管,人就可脱離身體直達大腦的虛擬世界;《攻殼機動隊》的主人公素子實現了全身機械化義體,唯一保留的只有一顆人類大腦。

不管形態如何,腦機接口(brain-computer interface, BCI)已成為人類窺視“三磅宇宙”的一扇窗。

這樣的設想來源於大腦運行的原理。許敏鵬介紹,大腦由大概1000億個神經元構成,這個數量與銀河系的恆星數量大致相仿。它們形成一個難以想象的巨大神經網絡,是人產生思維活動的物質基礎。

當我們思考的時候,大腦神經元會同步放電,這些信號被稱為腦電波。腦電波中藴藏人類思維活動的意識信息,腦中冒出不同的念頭,腦電信號就會隨之變化。理論上,只要人能夠清楚腦電波與思維活動的直接關係,就能夠通過識別腦電波反推出人的想法。

腦機接口正是通過研究腦電波來解讀人類想法的技術。許敏鵬解釋,人腦中的想法目前是通過外周神經系統、肌肉組織或語言等方式表達出來,而腦機接口則繞過這些傳統的路徑,直接在大腦和計算機之間建立聯繫。“再説直白一點,我們的腦子裏想什麼,通過腦機接口,計算機就能夠直接讀取出來。”


打破人與機器的界限?

兩個人集中全部注意力、花去3分鐘寫出一個漢字,顯然還無法讓人滿意。

上世紀60年代,美國航空航天局(NASA)的科學家首次提出“賽博格”(Cyborg)一詞,即人與電子機械的統一體。漫威電影中半人半機械的超能人、《機械戰警》中的機械義肢都在彰顯着一種慾望——人要打破與機器涇渭分明的界限。

機器能彌補殘障人士生理缺陷,成為其身體的一部分。2014年,一位高位截癱少年控制機械外骨骼為巴西世界盃賽開出第一腳球。

那一年,天津大學的神經工程團隊自主研發出“神工系列”人工康復機器人系統,並在多家醫院投入臨牀使用,通過腦控技術幫助中風偏癱患者恢復運動功能。中風患者的身體不聽使喚,但體內中樞神經系統原有儲存的運動“流程圖”可能保存完整或部分存在。在傳統的康復治療中,大腦的參與程度低,難以實現壞損腦區及周圍腦區的功能重建,是影響康復效果的重要因素之一。

有一種療法,是讓患者在大腦中反覆進行肢體運動想象,不斷喚醒相關運動記憶,以激活大腦相關區域,提高運動功能。但長期以來,這種方法缺乏客觀評價指標,無法實時監測大腦活動狀態,也難以及時進行效果反饋。

為了改善這種療法,天大團隊的“神工”腦機接口檢測患者在進行運動想象時的運動意圖,觸發模擬神經衝動的電刺激,促使肌肉主動收縮,又帶動骨骼和關節自主動作。這就相當於在患者體外仿生構築了一條完整的人工神經通路,形成一個“腦-機-人體”的信息環路。

在天津市人民醫院,一位85歲的老人接受了運用腦機接口技術的治療。他因腦卒中導致右側手腳癱瘓。輔助康復的研究員説,新療法對老人腿部的影響明顯。“他之前可能只能站一兩分鐘,現在能站五六分鐘了,行走50米左右。”

機器破譯並傳輸大腦指令,再把指令交給身體執行。原理看似簡單,實施起來則異常困難。按照設想,第三代“神工”將化作一個體積更小的可穿戴便攜設備,嘗試輔助患者完成更多複雜而精細的肢體動作,同時監測大腦狀態,及時調整康復訓練模式。

2016年,天大團隊聯合中國航天員中心研製了國際首套空間站在軌腦機接口系統,成功完成人類歷史上首次太空腦機交互實驗。明東認為,這是在太空環境中最理想的人機交互方式。腦控技術能讓航天員無需説話和動作就能發出操作指令,還能監測其腦力負荷等神經功能狀態。

今年,該團隊又率先實現了對無人機“4自由度”、12指令的連續實時腦控。

腦控智能輪椅、腦控打字機、腦控智能義肢都發展中。韓錦猜想,未來的腦機接口,體積小到完全可以埋在頭髮下面,讓別人看不見。它可以讓大腦與手機相連,接打電話;也可以和家裏的智能家電相連,開燈、拉窗簾,輸入防盜門密碼等。

腦洞再大一點,也許未來還可以實現“腦對腦”心靈相通。

各種擔心也隨之而來,聽上去最可怕的是,“假如我們的意識被機器綁架或人為操控怎麼辦”。許敏鵬表示,目前人機交互的前提是雙方遵守共同的約定,如果人類不願意被讀取大腦信息,那麼連接就無法進行,“我們只邁出了很小的一步”。

正如火帶來文明,也帶來危險。明東認為:“人機技術一直在進化,未來人一定都會和機器產生有效連接。”他特別喜歡一句話,當人類揮起鋤頭的那一瞬間,鋤頭已經成為人身體延長的一部分了。

中青報·中青網記者 胡春豔

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