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脑机接口让“意念控制”不是梦

2017-09-04 07:31:28 | 来源:健康报 | 分享
□本报记者 王潇雨
盯着屏幕上的字母几秒钟,不用动手就能打字;坐在轮椅上想象自己要前进,轮椅就能开动向前走;集中注意力盯着跑道上的小车,小车就能在轨道上跑起来……这些科幻片里的“神奇现象”,一旦有了“脑机接口”就可能变成现实。
脑机接口是神经科学和工程技术学科交叉产生的一项很有意义的创新性研究,在医疗康复、养老助残、军事等领域有着广泛的应用前景。近日在北京举办的“2017世界机器人大赛”上,“BCI脑控机器人”赛事格外引人瞩目,10支科研团队展示着国际领先的新成果。
视觉联通脑信号输出想法
在清华大学医学院脑机接口实验室展台,研发团队的工作人员帮助记者戴上了有9个电极接口的脑机接口头套,工作人员用注射器在接口处涂上导电胶,使电极能与头皮紧密相连,保证脑信号读取准确。当每一个电极连接成功时,操作系统屏幕上对应的信号点位就会持续闪烁。接着,工作人员打开模拟键盘屏幕,记者盯住键盘上的字母D几秒钟,字母就出现在屏幕上。
“动态窗稳态视觉诱发电位脑机接口系统”是该实验室的最新成果之一。“9个电极全部与大脑枕区相连,因为大脑枕区主要控制的是视系统。使用者将注意力集中在屏幕中的模拟键盘上,系统就可以将其脑信号翻译成对应文字,无创伤、不用训练,而且还可以跟微信等外部软件系统相连。”研发团队成员、清华大学医学院神经工程实验室博士生梁栗炎告诉记者,这一技术最直接的应用就是渐冻人,未来,该技术在医疗康复、系统导航、游戏等方面都有广泛的应用前景。
在天津大学神经工程与康复实验室展台,记者同样戴上头套涂上导电胶,这次接通的是16个电极。屏幕上有很多闪光的小飞机,紧盯着其中一个几秒钟,小飞机就爆炸了。实验室成员肖晓琳道出其中奥秘:小飞机的闪光会刺激使用者的视觉系统,信号反馈给大脑,通过外界刺激大脑电波变化实现对外控制。
肖晓琳边说边点开另一个系统,屏幕上出现了模拟赛车,记者可以用“想象”来控制赛车的前进方向,当记者停止想象“放空”的时候,赛车也“迷茫”起来,有时直行有时拐弯。肖晓琳告诉记者,通过“想象”实现人机互动有个磨合的过程,机器需要适应使用者“想象”时候的脑电波。但这一技术相较于打飞机的视觉信号刺激,更能调动使用者的主动性,促进康复。
脑电波控制“向左走向右走”
在北京信息科技大学展台前,体验者张强正在用“想象”指挥轮椅。张强告诉记者,他在“想象”前进时不太顺利,工作人员帮他重新输入了他在想象前进时的脑部思维。很快,张强就能通过意识控制轮椅启动与停止,并指挥轮椅“向左走向右走”。
“脑电波轮椅专为意识清晰的老年人或行动不便的残疾人而设计。大脑意识和神经冲动的基础都是电信号,通过对脑电信号分析可以获取人的运动意愿,利用眼球辅助检测,控制电动轮椅,解决运动机能丧失者的困难。”北京信息科技大学自动化学院高动态导航技术北京市重点实验室吴迎年副教授介绍,这款脑电传感器不需要使用者剃除头发、涂抹导电胶,仅使用非侵入式干电极即可完成脑电信号的采集。使用者在头部戴上脑电波传感器和眼动仪,在脑电主机插上蓝牙适配器,打开相关软件录入安静时和想象运动时的脑电波的特征,来完成脑电信号的检测分析与模式识别。脑电主机连接轮椅控制器,便可使用脑电波控制轮椅运动。系统使用快速便捷,初次使用10分钟即可实现控制。
吴迎年说,中国大陆有超过2.1亿名老年人,同时有超过2524.5万名肢体残疾人,但数据显示,2014年供应残疾人辅助器具只有128.3万件。脑电波和眼球控制作为一种新型控制方式,对助老助残装置的发展有推动作用。但脑电信号这种控制方式的精度低于摇杆控制和语音控制等方式,且会受到使用者情绪波动的影响,因此意识不清者或情绪波动较大者不适合使用该设备。目前,该产品正在增加避障、头部与眼球辅助控制、自主导航等新功能,确保产品更可靠和安全。
大脑遥控机器人或大鼠
据了解,目前脑机接口存在命令单一、控制效率低、控制负担重等问题,多数研究都希望优化脑机接口自身来解决这些问题。华东理工大学脑机接口与控制实验室团队提出,可以把人工智能方法应用于脑控系统来提高控制效率。比如,正在探索的“听觉脑机接口智能机器人控制系统”,将机器人自动视觉搜索、目标智能识别与听觉脑机接口系统相结合,向机器人发出简单指令,机器人根据指令自动搜索识别,实现目标自动跟踪,为视觉障碍患者提供弥补方案。
现场展示的“脑控移动眼残疾人辅助系统”,在实现小车控制的同时,还加上了摄像头,并可以通过指令相互切换控制。该科研团队成员郭妙吉告诉记者:“通过小车和摄像头的控制可以帮助残疾人欣赏外面的环境,提高生活质量。”
郭妙吉介绍,该团队从2004年起致力于研究临床康复医学的脑机接口系统研究,如脑卒中患者运动康复、渐冻人生活辅助、植物人昏迷唤醒等。“控制的精准性和反应速度都是我们下一步的优化方向。”
与控制机器人不同,浙江大学求是高级研究院成员毕争向记者介绍该团队的“大鼠运动控制及导航系统”:“通过手术将电极植入大鼠的大脑皮层,大鼠就变成了’机器鼠’,通过微点刺激作为控制指令,能够控制大鼠前进、转向和停止的行为。以此为基础的探索将在今后地震搜救、反恐活动方面具有运用空间。”
同时,该研究院的kether意念轨道赛车也受到体验者的青睐,一位小朋友戴着特制的意念脑波仪控制赛车。毕争介绍:“意念脑波仪采集脑电波信号,会分析出体验者大脑目前的专注力状态数据,当大脑专注力达到基础要求后,赛车立刻启动开始前进,专注力越高,赛车速度越快。”
“另外,利用脑电波的不同状态,我们还开发出具有放松效果的智能眼罩,眼罩与耳机相连,佩戴过程中,设备可以根据每秒256次的用户脑电数据回馈,自动选择更适合使用者放松频率的音乐播放,并调节音量,提高放松质量。”毕争说。

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