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意念可移物用大脑控制机械

浏览:91 发表时间:2020-05-25 09:59:23

 美国研究人员近日宣布,已研制出一种可由大脑控制的机械手,这种机械手能帮助人准确且自然地执行动作。长期瘫痪的人可以通过手部定位、导向以及接触,部分恢复自然的指令信号,进行一些接近正常人的活动。将人脑与机器“结合”,这项曾经看似遥不可及的技术,现在已经开始变成现实。在未来,“脑机接口”技术将会有哪些新突破?在应用领域,又将会有哪些我们意想不到的用途?我们特邀专家进行解答。

“脑控手”:

瘫痪者可用意念控制假肢

一直以来,研究者对于人脑与计算机结合的技术很感兴趣。而发表于医学杂志《柳叶刀》的这项最新研究结果,就是把获取的大脑神经细胞的放电信号变成了计算机编码,从而可以准确控制机械手的运动。

神经生理学家和生物医学工程师们认为,这种由脑控制的假肢是该领域的一个新突破。

方法:运用基于模型的算法

研究小组成员、宾夕法尼亚州匹兹堡大学教授安德鲁·施瓦茨说,这项研究最大的挑战一直是如何把人脑信号准确转录为计算机编码。

不少做到这一点的脑控假肢所用算法是一个复杂的“图书馆”,内容为人脑信号与计算机编码的连接关系。通过这种算法,很多大脑控制的假肢已经可以达到这样的效果。

但这次研究者们采用的是完全不一样的方法,他们通过运用一种基于模型的算法,可以准确地模仿未受损害的大脑控制肢体的运动。实验结果表明,这个机械手可以比之前的任何脑控假肢运动得更精准、自然。

实验:完成任务成功率高达91.6%

该研究小组将两个微电极植入一个52岁的妇女大脑运动皮层。

这位女性志愿者由于脊髓小脑退化导致左半身从颈部开始瘫痪,无法移动自己的手部和脚部。动完手术两周后,该妇女装上了假肢并且进行了为期14周的训练。第二天后,她便可以通过脑控来移动假肢。

该训练主要针对9种技能,例如抓和移动小物体、堆叠椎体等等。最后,她完成任务的成功率高达91.6%,而且每项动作比实验之初平均快了30秒。

计划:让机械假肢具备感知功能

研究者表示,下一步工作是让合并了感受器的机器假肢告诉病人物体表面是冷、热、粗糙或是光滑,并且用Wi-fi技术取代电线将病人的脑和假肢联系起来。

早在2011年10月,北卡罗来纳州杜克大学的一个研究小组称,他们将电极植入猴子大脑,可以让该动物感受到虚拟物体的质感。最近,在美国国防部高级研究项目署(DARPA)资助下,研究人员正在研发潜在的可以用于军事的相关技术,包括供退伍老兵使用的脑机接口技术。

“脑机接口技术”:

你想做什么 电脑都知道

侵入式VS非侵入式

华南理工大学自动化科学与工程学院院长、华南理工大学脑机接口与脑信息处理研究中心主任李远清教授向本报记者介绍说,将人脑与机器“结合”,就是专业人士所称的脑机接口技术。该技术涉及脑科学、神经工程、计算机科学、控制科学、信号处理等多个学科,多次被评为世界十大科技进展。

“依据信号获取的方式,脑机接口可以分为两大类。一类是侵入式脑机接口,就是将微电极植入人或者猴子等动物的大脑皮层,提取脑信号并输入计算机实时处理,得到反映用户意图的控制命令,来控制机械臂等外部设备。”李教授表示。

像“脑控手”就是一种侵入式脑机接口。这种脑机接口的优点是提取的信号质量高,能完成对一些复杂外部设备(如假肢)的操控,缺点也很明显,就是对大脑有伤害。“病人能否长期植入这种微电极,保证其性能长期稳定和安全,这些都是没有解决的难题。”他说。

此外,另一种方式是非侵入式的脑机接口,目前最普遍用的是脑电,脑电是通过头皮电极提取的电信号。这种脑机接口的突出优点是对大脑没有伤害,方法简单,设备相对便宜,但缺点是提取的信号质量相对较差,难以操控复杂对象。

如何提取“脑信号”是关键

人脑与机器,原本毫无关联,为何能互通信息?李教授解释说,人脑和机器的结合,主要是通过一个桥梁,就是脑信号。脑信号首先通过脑电图、植入电极、光学成像、脑磁图等设备获取,然后通过有线或无线的方式输入电脑,电脑对这些信号实时处理,提取反映用户意图的信息,并将这些信息变成对外部设备的控制指令,从而实现脑机结合。“这项技术的一个重要应用前景是对残疾人的神经功能进行辅助及促使其康复。就目前来看,这项技术还处在实验室研究和应用的交叉地带,要实现产业化,还需要解决设备成本过高、使用不太便利、性能(如准确率、反应速度、稳定性等)进一步提高等问题。”

关于“脑机结合”,有些技术目前已经实现,除了“脑控手”,还有基于脑电的文字输入、家电遥控、网络浏览、电话拨号、虚拟车或轮椅操控、基于植入电极的对老鼠和壁虎等动物的运动控制、猴子用脑操作机械臂等。

脑控轮椅不久将推向市场

坐上一台轮椅,只需想一想怎么走,就能怎么走?无论前后左右,或者加速减速都没问题?这不是幻想,而是用脑电波控制的轮椅的神奇之处。

李教授告诉记者,在国内也有不少关于“脑机结合”的科研成果。华南理工大学脑机接口与脑信息处理研究中心研发了一款多模态脑控轮椅,可以实现大脑对轮椅的方向、速度、停止启动等多种功能的控制。其关键技术是多模态脑机接口技术,具体来讲,就是结合脑电中的视觉诱发电位和与运动想象相关的同步与解同步模式,实现多自由度控制。这些相关技术,已经获得三项国家发明专利。除“脑控轮椅”外,该研究中心还建立了其他脑机接口系统,包括家电集成控制系统、网络浏览与邮件收发系统等等。

“这类脑机接口系统与‘脑控手’不同,是基于脑电的、非植入式的,对大脑没有伤害。但不足的地方是,不易完成对复杂对象(例如假肢)的操作。”他说。

这种脑控轮椅,经历了两年多的研究,仍处于实验室阶段。他们计划在接下来的时间里能寻找到更低廉的信号获取设备,以降低成本,同时还将进一步完善该系统,让轮椅反应更精准、快速。待这款新型轮椅的性能稳定后,很可能会推向市场。这款轮椅的市场化将会给残疾人带来福音,使用者仅须通过执行一定的意识任务与接受车载电脑的视觉刺激就可以控制轮椅的行驶。该轮椅的造价目前要20万元左右。“就技术而言,由于我们实现了多功能控制,应该说是处于国际先进水平的。”李教授说。

未来或能用“思维”执行任务

“从应用的角度,我个人看好非嵌入式脑机接口系统,主要是因为这类系统对大脑没有伤害。而其性能的提高、设备成本的降低以及设备的方便实用等则可以随着技术的进步逐渐解决。”李教授说。

那么,在未来,人类最终是否能够实现电影《阿凡达》中描述的那样,直接通过大脑控制外部设备,按自己的思维来执行很多复杂任务?

李教授认为的确有可能。他表示,在未来,“脑机结合”技术的发展趋势,可能体现在以下几个方面:

一是双向脑机交互。过去的脑机接口系统主要是从脑到机,也有一些从机到脑的,但真正意义上的双向脑机接口还不多见。

二是用于脑机接口的脑信号获取技术的进步。脑机接口最终走向应用,很大程度上取决于信号获取设备。对侵入式脑机接口,微电极要安全,且性能稳定。对非侵入式脑机接口,信号设备要便宜,性能好且方便实用。

三是在应用与产业化方面将更加广泛。目前,研究人员已经在残疾人,如中风病人的运动功能辅助、小儿多动症治疗等方面开展探索性研究,并取得了初步成效。除此之外,脑机接口也可能在军事领域产生应用。


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