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中国造!全球首款脑—机接口专用芯片面世
“意念控制”距离我们还有多远
喜欢看科幻电影的人们，应该对这个场景不会感觉太陌生——屏幕里，电影人物通过自己的大脑控制机器手臂或部件，完成一些或危险、或精密的工作。而全球首款脑—机接口专用芯片“脑语者”的正式发布，意味着类似影片中的“意念控制”，可能距离我们已经不再遥远。该技术也有望在医疗、教育、家居、游戏及特种行业等领域掀起科技热潮。
“脑语者”芯片实现“脑—机”互动
“Welcome to the 3rd WIC(世界智能大会)”——当这段话出现在第三届世界智能大会闭幕会现场大屏幕上时，全场爆发热烈掌声。因为，这些字母是一位头戴黑色电极帽的展示者，在现场通过意念控制一个电脑全键盘，再通过脑电分析程序，从而在大屏上显示出来的。这也是由天津大学和中国电子信息产业集团联合研发的全球首款脑—机接口专用芯片“脑语者”第一次正式在公众面前亮相。它的问世，标志着我国在脑—机接口关键技术方面实现了关键性跨越。
“脑控”科技在科幻电影中经常可以看到，看起来神奇，其原理并不难解释——机器通过捕捉人脑发出的脑电信息，在经过一定处理后，转变为控制机器运动的信号。只不过，这一“捉”一“转”之间，却需要解决大量的技术难题，这也是阻碍这项技术从屏幕里的电影情节“走”到屏幕外的现实生活中的关键问题。
然而，“脑语者”系列芯片的问世，意味着人们在对这一难题的求解之路上，迈出了一大步。 “脑语者”的主要功能是实现更充分的脑—机互动，满足日常交流需求。天津大学医学工程与转化医学研究院院长明东介绍，“这款芯片可以识别出头皮脑电中极微弱的神经信息，高效计算解码用户操作指令，极大提升大脑与机器之间的通讯效率。”
核心技术不能受制于人
脑—机接口技术被公认为新一代人机交互和人机混合智能的关键核心技术，并被美国商务部列为14项出口管制技术之一。
所谓脑—机接口，简单地说，就是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立直接的交流和控制通道。利用该通道，人们可以直接通过大脑表达想法或操纵设备，从而有效增强特定人群与外界交流或控制外部环境的能力。受脑电采集方式、计算设备等限制，当前脑—机接口技术在解码可靠性、使用便捷性等方面仍面临巨大挑战，使得该技术更多停留在实验室阶段。
相比于欧美国家，我国脑—机交互研究起步晚了20多年，然而截至2019年初，我国申请和公开的脑—机交互专利文献，已占全球的半壁江山。目前，“脑科学与类脑研究”工程，已经和深海空间站、天地一体化信息网络、量子通信和量子计算机一起，成为“中国科技创新2030重大项目”的四大试点专项。
不过，目前在我国的脑—机接口技术研究中，在脑电采集和数据处理两大核心环节上，我们还都依赖于进口脑电采集前端芯片和高性能处理器。明东表示，一旦相关器件受到国外出口限制，我国将无法避免受制于人，进而导致相关技术发展陷入停滞。因此，开发一款自主可控的脑—机接口专用芯片迫在眉睫。
“脑语者”芯片，正是在这一背景下研制完成的。
实现人机融合的“终极目标”
据介绍，在脑—机接口的技术领域，按采集信号的部位可分为植入式和非植入式两类。其中，非植入式主要采用头皮脑电实现，这类脑—机接口技术目前国内外发展水平相当，部分领域甚至达到了国际先进水平。而植入式脑—机接口技术则是将电极植入颅内，采集颅内脑电信号，这类脑—机接口国内外差距较大，以美国研究团队的成果最为突出。
在神经接口基础元器件方面，国内外差距同样较大。比如，美国一些机构的研究已经将神经接口器件向微型化、高性能发展，发展出了“神经尘埃”“神经蕾丝”等具有突破性的接口器件形态，而国内虽有学者开展相关研究，但仍缺乏类似具有代表性的成果。
而这些差距，正是明东和他领导的团队需要面对和极力缩小的。
据悉，为了实现脑—机混合智能的开发和应用，天津大学正在实施一项“超级大脑”计划。该计划以人脑为核心、机脑为路径、云脑为中枢，三脑合一，致力于将未来脑—机接口相关技术发展成下一代人机交互、通信和人机混合智能的可靠技术。无疑，“脑语者”芯片是打造这一“超级大脑”的核心器件。
“‘脑语者’芯片将会给多种行业和领域带来巨大的影响。例如医疗、教育、家居、游戏及特种行业等。”明东说，尤其是与脑—机交互密切相关的医疗行业，将有力推动医疗设备的便携化、实用化、家庭化，实现神经层面人机融合这一终极目标。
“我们相信，通过校企之间的共同努力，脑—机交互真正实现应用化，为时不远了。”明东说。
有望走向民用化、便携化
据介绍，作为一款专门为脑—机接口中脑电信息编解码设计的芯片，“脑语者”不仅从脑电信号提取、特征处理、复杂算法上进行了设计，还搭载了专用的脑电计算加速器，使其在适配脑—机接口场景、需求上有了更强的针对性。而且，“脑语者”有丰富的可扩展接口，能够满足脑—机交互长期目标需求。
“精解码、高指令、快通信、强交互，这是‘脑语者’的四大优势。”据明东介绍，“该芯片可以识别出头皮脑电中极微弱的神经信息，高效计算解码用户操作指令，极大提升大脑与机器之间的通信效率，拓展功能充分满足日常交流需求，让脑—机交互设备真正成为使用者的 ‘第三只手’。”
“将来，‘脑语者’有望为脑—机交互技术走向民用化、便携化、可穿戴化及简单易用化开辟道路。” 明东说，而在该款芯片民用化的问题上，研究人员已经进行了一些思考和尝试。
比如，早在2014年，天津大学就和天津市人民医院共同发布了全球首台适用于全肢体中风康复的“纯意念控制”人工神经机器人系统——“神工一号”。该项目的负责人同样是明东。
“‘神工一号’系统融合了中风康复最重要的技术——运动想象疗法和物理训练疗法，在中风患者体外仿生构筑了一条完整的人工神经通路。”他介绍说，通过模拟中枢神经通路、解码患者的运动意念信息，进而驱动多级神经肌肉电刺激技术模拟周边神经通路、刺激患者瘫痪肢体产生对应动作，从而完成主动康复训练对皮层、肌肉活动的同步整合与协同。
不过，由于运动想象中的脑—机交互解码过程对计算机的依赖，该系统目前体积较为庞大，仅在医院实现了应用。“如果我们借助‘脑语者’芯片，就可以使该系统小型化、可穿戴化，进而使患者能够在社区和家庭完成康复治疗。”明东说。
对此，中国电子信息产业集团数据科学家、中电云脑科技有限公司总经理程龙龙也表示，“脑语者”系列芯片有望实现我国脑—机接口关键技术自主可控，引领我国脑科学和类脑智能研究变道超车。未来该芯片系列还将不断“进化”，为新一代脑—机智能发展提供技术支撑。
据中国科学报、今晚报、新京报等综合 作者：陈彬 张苗苗 姜慧梓等
