美國研究人員近日宣布，已研制出一種可由大腦控制的機械手，這種機械手能幫助人準確且自然地執行動作。長期癱瘓的人可以通過手部定位、導向以及接觸，部分恢復自然的指令信號，進行一些接近正常人的活動。將人腦與機器“結合”，這項曾經看似遙不可及的技術，現在已經開始變成現實。在未來，“腦機接口”技術將會有哪些新突破？在應用領域，又將會有哪些我們意想不到的用途？我們特邀專家進行解答。

“腦控手”：

癱瘓者可用意念控制假肢

一直以來，研究者對于人腦與計算機結合的技術很感興趣。而發表于醫學雜志《柳葉刀》的這項最新研究結果，就是把獲取的大腦神經細胞的放電信號變成了計算機編碼，從而可以準確控制機械手的運動。

神經生理學家和生物醫學工程師們認為，這種由腦控制的假肢是該領域的一個新突破。

方法：運用基于模型的算法

研究小組成員、賓夕法尼亞州匹茲堡大學教授安德魯·施瓦茨說，這項研究最大的挑戰一直是如何把人腦信號準確轉錄為計算機編碼。

不少做到這一點的腦控假肢所用算法是一個復雜的“圖書館”，內容為人腦信號與計算機編碼的連接關系。通過這種算法，很多大腦控制的假肢已經可以達到這樣的效果。

但這次研究者們采用的是完全不一樣的方法，他們通過運用一種基于模型的算法，可以準確地模仿未受損害的大腦控制肢體的運動。實驗結果表明，這個機械手可以比之前的任何腦控假肢運動得更精準、自然。

實驗：完成任務成功率高達91.6%

該研究小組將兩個微電極植入一個52歲的婦女大腦運動皮層。

這位女性志愿者由于脊髓小腦退化導致左半身從頸部開始癱瘓，無法移動自己的手部和腳部。動完手術兩周后，該婦女裝上了假肢并且進行了為期14周的訓練。第二天后，她便可以通過腦控來移動假肢。

該訓練主要針對9種技能，例如抓和移動小物體、堆疊椎體等等。最后，她完成任務的成功率高達91.6%，而且每項動作比實驗之初平均快了30秒。

計劃：讓機械假肢具備感知功能

研究者表示，下一步工作是讓合并了感受器的機器假肢告訴病人物體表面是冷、熱、粗糙或是光滑，并且用Wi-fi技術取代電線將病人的腦和假肢聯系起來。

早在2011年10月，北卡羅來納州杜克大學的一個研究小組稱，他們將電極植入猴子大腦，可以讓該動物感受到虛擬物體的質感。最近，在美國國防部高級研究項目署(DARPA)資助下，研究人員正在研發潛在的可以用于軍事的相關技術，包括供退伍老兵使用的腦機接口技術。

“腦機接口技術”：

你想做什么 電腦都知道

侵入式VS非侵入式

華南理工大學自動化科學與工程學院院長、華南理工大學腦機接口與腦信息處理研究中心主任李遠清教授向本報記者介紹說，將人腦與機器“結合”，就是專業人士所稱的腦機接口技術。該技術涉及腦科學、神經工程、計算機科學、控制科學、信號處理等多個學科，多次被評為世界十大科技進展。

“依據信號獲取的方式，腦機接口可以分為兩大類。一類是侵入式腦機接口，就是將微電極植入人或者猴子等動物的大腦皮層，提取腦信號并輸入計算機實時處理，得到反映用戶意圖的控制命令，來控制機械臂等外部設備。”李教授表示。

像“腦控手”就是一種侵入式腦機接口。這種腦機接口的優點是提取的信號質量高，能完成對一些復雜外部設備（如假肢）的操控，缺點也很明顯，就是對大腦有傷害。“病人能否長期植入這種微電極，保證其性能長期穩定和安全，這些都是沒有解決的難題。”他說。

此外，另一種方式是非侵入式的腦機接口，目前最普遍用的是腦電，腦電是通過頭皮電極提取的電信號。這種腦機接口的突出優點是對大腦沒有傷害，方法簡單，設備相對便宜，但缺點是提取的信號質量相對較差，難以操控復雜對象。

如何提取“腦信號”是關鍵

人腦與機器，原本毫無關聯，為何能互通信息？李教授解釋說，人腦和機器的結合，主要是通過一個橋梁，就是腦信號。腦信號首先通過腦電圖、植入電極、光學成像、腦磁圖等設備獲取，然后通過有線或無線的方式輸入電腦，電腦對這些信號實時處理，提取反映用戶意圖的信息，并將這些信息變成對外部設備的控制指令，從而實現腦機結合。“這項技術的一個重要應用前景是對殘疾人的神經功能進行輔助及促使其康復。就目前來看，這項技術還處在實驗室研究和應用的交叉地帶，要實現產業化，還需要解決設備成本過高、使用不太便利、性能（如準確率、反應速度、穩定性等）進一步提高等問題。”

關于“腦機結合”，有些技術目前已經實現，除了“腦控手”，還有基于腦電的文字輸入、家電遙控、網絡瀏覽、電話撥號、虛擬車或輪椅操控、基于植入電極的對老鼠和壁虎等動物的運動控制、猴子用腦操作機械臂等。

腦控輪椅不久將推向市場

坐上一臺輪椅，只需想一想怎么走，就能怎么走？無論前后左右，或者加速減速都沒問題？這不是幻想，而是用腦電波控制的輪椅的神奇之處。

李教授告訴記者，在國內也有不少關于“腦機結合”的科研成果。華南理工大學腦機接口與腦信息處理研究中心研發了一款多模態腦控輪椅，可以實現大腦對輪椅的方向、速度、停止啟動等多種功能的控制。其關鍵技術是多模態腦機接口技術，具體來講，就是結合腦電中的視覺誘發電位和與運動想象相關的同步與解同步模式，實現多自由度控制。這些相關技術，已經獲得三項國家發明專利。除“腦控輪椅”外，該研究中心還建立了其他腦機接口系統，包括家電集成控制系統、網絡瀏覽與郵件收發系統等等。

“這類腦機接口系統與‘腦控手’不同，是基于腦電的、非植入式的，對大腦沒有傷害。但不足的地方是，不易完成對復雜對象（例如假肢）的操作。”他說。

這種腦控輪椅，經歷了兩年多的研究，仍處于實驗室階段。他們計劃在接下來的時間里能尋找到更低廉的信號獲取設備，以降低成本，同時還將進一步完善該系統，讓輪椅反應更精準、快速。待這款新型輪椅的性能穩定后，很可能會推向市場。這款輪椅的市場化將會給殘疾人帶來福音，使用者僅須通過執行一定的意識任務與接受車載電腦的視覺刺激就可以控制輪椅的行駛。該輪椅的造價目前要20萬元左右。“就技術而言，由于我們實現了多功能控制，應該說是處于國際先進水平的。”李教授說。

未來或能用“思維”執行任務

“從應用的角度，我個人看好非嵌入式腦機接口系統，主要是因為這類系統對大腦沒有傷害。而其性能的提高、設備成本的降低以及設備的方便實用等則可以隨著技術的進步逐漸解決。”李教授說。

那么，在未來，人類最終是否能夠實現電影《阿凡達》中描述的那樣，直接通過大腦控制外部設備，按自己的思維來執行很多復雜任務？

李教授認為的確有可能。他表示，在未來，“腦機結合”技術的發展趨勢，可能體現在以下幾個方面：

一是雙向腦機交互。過去的腦機接口系統主要是從腦到機，也有一些從機到腦的，但真正意義上的雙向腦機接口還不多見。

二是用于腦機接口的腦信號獲取技術的進步。腦機接口最終走向應用，很大程度上取決于信號獲取設備。對侵入式腦機接口，微電極要安全，且性能穩定。對非侵入式腦機接口，信號設備要便宜，性能好且方便實用。

三是在應用與產業化方面將更加廣泛。目前，研究人員已經在殘疾人，如中風病人的運動功能輔助、小兒多動癥治療等方面開展探索性研究，并取得了初步成效。除此之外，腦機接口也可能在軍事領域產生應用。