戴上帽子解读意念！在清华医学院见证“脑机互联”

在日常生活中，我们通过动作、语言相互交流。那么有没有一种可能，我们交流的方式不再仅限于这些语言动作，而是通过脑电波就可以进行交互？

当然可能！

这种技术就是脑机接口技术。顾名思义，脑机接口技术是一种在大脑和计算机之间建立直接联系的技术，而不需要外周神经肌肉组织参与。这项技术可以实时记录大脑的活动情况，将其中携带的信息“解读”出来，变成计算机和其他设备也能明白的指令，进而完成操作，达成目标，实现“心想事成”。

著名物理学家霍金生前是一位“渐冻症”患者，数十年来他只能靠手指和眼角肌肉的微弱动作来表达意愿。如今，随着脑机接口技术的发展，计算机对大脑的解读日益迅速和精准，类似霍金这样的“渐冻症”患者将大幅提升生活质量。同时对于普通人，未来“意念控制”实现“心想事成”，也将使我们的工作生活发生巨大变化。清华大学医学院神经工程实验室教授高上凯和高小榕带领团队已经做了20年的脑机接口研究。记者日前探访该实验室，揭秘脑机互联如何“心想事成”。

戴上帽子即可解读“意念”

日前记者来到清华大学医学院。在神经工程实验室，高小榕教授正在指导学生开展科研。只见一名学生戴上了一顶奇特的帽子，上面密密麻麻地分布着各种传感器。他目不转睛地看着眼前的电脑屏幕，上面一张张字母卡片在不断闪烁……

清华大学医学院神经工程实验室，研究人员正在开展脑机互动的研究实验。

高小榕介绍，我们的大脑时时刻刻都在活动。在这个过程中，伴随大脑神经活动的脑电波信号在不断产生。如何获取这些脑电信号，与计算机系统相连接，读取信息，目前主要有两种方式。一种是侵入式脑机接口，即通过开颅手术直接在大脑皮层植入电极来记录脑活动。侵入式脑机接口由于可以直接监测到大脑皮层的活动，因而采集到的数据质量较好，可以实现比较复杂的信息读取。但因为安全性和手术创伤等问题，目前还处于实验室探索阶段。

另一种就是现场学生们正在开展的非侵入式脑机接口。它只需要像戴帽子一样佩戴上脑电采集帽就可以实现。“这种方式的弱点也显而易见。毕竟我们读取的脑电是透过厚厚的颅骨传递出来的，信号质量要差一些，因此准确解读这些脑电信号的算法就变得尤为重要。”高小榕说，非侵入式脑机接口也是国内学者普遍开展的研究方向。

1999年高小榕就开始做脑机接口的研究，到今年已经整整20年了。他带领团队首先提出了稳态视觉诱发电位脑机接口，大大提升“意念控制”的准确率，成为无创脑-机接口三种主要范式之一。

如何理解这种大脑与计算机互通的原理呢？高小榕说，大脑神经电信号存在跟随效应，如果以一定规律对人施加外部刺激，例如让人看一个每秒闪烁15次的小方块，就会发现从头皮上记录到的脑信号也具有对应的规律，每秒起伏15次，所以，如果给人呈现以不同规律闪烁的小方块，并给它们预先设计好不同的含义，那通过分析脑信号的规律，不就可以知道人在看哪个方块，想要输入哪种指令了么。

“意念打字”速度接近常人

今天夏天在北京举行的世界机器人大会上，有一场特殊的“角逐”备受关注。选手们带上特殊的“头盔”，紧盯电脑屏幕，一言不发。“头盔”上交织着线缆，屏幕上出现一幅幅字母图案。只见，一个个字母在屏幕的文本框内陆续出现。这是本次世界机器人大会脑控打字记录挑战赛上的一幕。

今天夏天在北京举行的世界机器人大会上举行脑控打字技能挑战赛。选手们通过脑机交互，用“意念打字”展开比拼。

选手们正是采用了非侵入方式实现脑机互联，用大脑控制电脑，用“意念打字”展开比拼。最终来自天津大学的魏斯文，在澳门大学与香港大学联合团队开发的算法支持下，以每分钟691.55比特的理想信息传输率获得冠军，这也创造了一项世界纪录。作为大赛的专家组副组长，高小榕告诉记者，魏斯文当时的成绩相当于在100%准确率下以0.413秒输出一个英文字母。这个速度已经高度接近我们日常使用手机进行文本输入，“已经非常了不起！”他说。

利用脑机接口进行信息交互，在康复领域也大有可为。今年，高小榕团队的研究成果让一位“渐冻症”重新“开口”与家人交流的故事，登上了荧屏。平面设计师王甲是一名“渐冻症”患者，过去的他热爱运动，英俊阳光。但随着病魔侵袭，王甲失去了生活自理能力，无法站立，无法移动手脚，甚至无法说话，只有眼球移动。“其实他能听，能思考，但就是无法表达，很痛苦。”高小榕说，他们跟王甲家人多次沟通，针对王甲的生理特点，开发最适合他的脑机接口算法。

使用的那天，研究团队早早来到王甲的家中，帮王甲洗干净头发，戴上“头盔”。开机，打开程序。王甲紧盯着屏幕的一个个字符，眼球不时轻轻转动。神奇的一幕发生了：屏幕首先跳出一个字：擦。王甲的父母首先读懂了这个字的含义，马上帮他擦净嘴角的口水。紧跟着，屏幕上又跳出一句话：感谢大家的关心！王甲的父母激动地流下了泪水，“以后终于能跟孩子交流了！”两位老人说。

让机器人替腿“干活儿”

在不久前举行的北京地区广受关注学术论文报告会生物医学工程专场中，高小榕又向大家展示了另一个神奇的研究领域：基于小腿表面肌电的智能机器人协同控制方法。通俗地理解就是：通过捕捉肌肉的电信号，让机器人替腿干活儿。

2014年，高小榕团队接受了一家国内顶尖科技名营企业的邀请，开始带队攻坚，目标是通过采集肌肉电信号，解读人的步态。以此开发的智能设备既可以预警老年人的跌到问题，也可以研发智能假肢、智能轮椅等，通过判断用户腿部肌肉信号，智能识别用户的行动意愿，驱动双腿或者轮椅前行、后退，“这样又能大大改善一大批行动障碍群体的生活质量。”高小榕说。

肌肉电信号是骨骼肌肉群接收从脑神经信号传导过来的控制信息而产生相应收缩时伴随的电生理信号。计算机从相应的骨骼肌对应的体表上获取，因为没有了颅骨等阻碍，采集起来比脑电信号容易的多，信号可靠，易于辨识。但研发过程中发现，它的缺点也十分明显：首先，骨骼肌的疲劳速度远远比大脑要快。过了10分钟、20分钟，肌肉就开始出现疲劳现象，进而出现动作变形，这样肌电信号也出现紊乱；同时，因为腿部的活动尺度比头部要大得多，采集信号的电极与骨骼肌无法完全实现贴合，会带来信号不稳定；此外，电极的位置偏差也会导致信号出现漂移。

针对这些困难，高小榕带着团队学生做了大量的努力，包括采用迁移学习等信号分析方法。终于研发成功。

据介绍，这套人机交互系统由肌电采集模块，模式识别模块和机器人控制模块构成。其中肌电采集模块采集受试行走中的肌电信号，将其放大采集后通过蓝牙通讯送入模式识别模块；模式识别分析模块对信号进行处理，然后发送给机器人控制模块；机器人控制模块将不同指令输入给智能机器人，从而控制机器人的运动。

实验显示，8位受试者在实时交互控制中，分别执行前进、后退、左转、右转4种步态各320次。所有实验的机器人识别率均高达80%以上，其中前进、后退的识别率高达90%以上。

脑机交互让意念操控成真

高小榕说，传统的人机交互是手为主，比如我们用手敲击键盘、点击鼠标，或者触摸手机、PAD的屏幕。近年来随着人工智能的发展，又陆续出现了通过语音、视频图像（人脸识别）等方式进行人机交互。未来，脑—机交互将逐渐登上主舞台，“我们可以用意念来实现打电话，收发短信，甚至开车。”此外，脑—机交互在个人隐私保护方面也将大有可为。因为指纹乃至人眼虹膜，都是可以复制的，但人的脑电波肯定无法复制，这就形成了保密的唯一性。

今年的脑控打字记录挑战赛上，魏斯文实现的每分钟691.55比特的速率。高小榕说，这个记录未来会被很会被打破。按照摩尔定律，计算机性能每18个月会提升一倍。脑-机交互的效率也会由此提升。他们做过测算，10年后，脑机交互的速率有可能提升4倍以上，那个时候，用意念交流，在信息流速度方面，就可能不是问题了。

“看似玄幻，难以相信，但很多研究就是从科幻走到科学，然后走到技术应用。脑-机交互，已经走向技术应用了。”高小榕说。

面向未来，高小榕团队的研究早已铺开。他们正在研发的脑电采集设备将不再是一顶丑陋的帽子，而是一枚精致美观的耳机，轻轻扣于耳廓即可，采集的脑电波信号无线高速传输，帮我们自由掌控各类穿戴智能设备、办公设备、家居设备、汽车……

记者了解到，目前国内清华大学、华南理工大学、国防科学技术大学、天津大学、浙江大学、西安交通大学、华东理工大学等诸多大学和研究机构都在涉足脑-机接口的研究，并且成果颇丰。我国在脑机接口研究领域发表的论文数量仅次于美国，排名第二。全球该领域25篇高引论文中有9篇文章来自中国。在脑机接口的应用方面， 华南理工大学在100余例严重瘫痪病人上进行了临床试用，天津大学在天宫二号上成功实现了人类首次太空脑-机接口实验。