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西工大新闻网5月3日电  最近的好莱坞科幻电影《环太平洋2》正在热映,片中主人公深处机甲战士身体内,通过一条神奇的“管子”与机甲相连,而机甲似乎理解“主人”的心思,可以让“主人”随心所欲的控制,就好像是控制自己的身体一样。片中有一句台词“神经元融合度越高,机甲的战斗力越强”,也道出了人机融合的关键所在。

虽然电影只是人类的一种娱乐和消遣的方式,但这类科幻电影反映的却是人类对科学技术,特别是颠覆性技术的一种向往。上述影片体现的是人类对“脑控”技术的渴望(包括以前大热的电影《阿凡达》)。可喜的是,人类对“脑控”技术的研究与实践已经取得了巨大的进步。特别是近年来,可谓“大热”,这个在一些国内综艺节目中可见一斑。

有网友提出:“我最需要的是一辆像“平衡车”一样(平衡车采用的是人体重心控制),用我的“意念”来控制的代步工具,走、停、加速、减速、转弯等,我想一想就能实现,那不是很酷……”

这个问题,记者特意采访了本文的“主角”西北工业大学电子信息学院的谢松云教授,谢教授的答复是:“以目前团队的技术水平,研发这样一款实验产品是完全可行的。”

颠覆性技术革新:多种诱发模式相结合的脑控技术

在谢教授团队的实验现场,团队向众人表演了惊人的一幕:控制室里的实验人员戴上一个“科技感”十足的“帽子”,面对着屏幕,无需操作任何,只是认真的盯着屏幕……在室外的空地上,一架无人机缓缓滑行、起飞,按计划绕过障碍物飞行,成功降落……,如果没有谢老师的讲解,我们很难相信,无人机每一个动作是由实验室人员的“大脑”直接控制的。

在此科普下基本原理:所谓的“意念控物”是通过采集脑电波,然后用某种装置对脑电进行分析解码,转换为控制信号,进而实现对“事物”的控制,这些“事物”可以是设备装置,甚至可以是生物体。至于脑电波,其实很早就被人类所认识和获取,人脑神经元活动时就会产生电信号,这些信号相叠加,就形成了脑电波。

谢教授表示,要想实现高质量的控制,最关键、难度最大的就是对脑电波的提取、分类与识别,也就是所谓“脑功能特征”的提取。通俗一点讲就是需要知道大脑想要做什么,获取的脑电波要能代表这种“诉求”,不同“诉求”要能在脑电波中体现出来。

在利用脑电波进行控制时,“脑特征”的产生通常是需要有特定的激发方式,又可称为诱发模式。就目前脑控技术的应用来看,绝大部分处于单一模式的水平,也就是只能提取一类脑特征,所转换的控制指令即“自由度”十分有限的,限制了意念控制的能力和发展。最简单的意念控制是利用一个“脑特征”,也就是只能得到两种状态,比如通过检测脑电波的“有”或者“无”,“强”或者“弱”,相应的控制也只能体现出“启动”或者“停止”、“快”或者“慢”等类似的两个状态。目前,应用最多的就是基于注意力、专注度的脑控,脑控让玩偶动起来就是典型的案例。

显然只有单一模式脑特征的提取与识别远远不能满足人们的对脑控技术的渴望期待。在现实中对物体的控制需要更多的控制状态,比如上述提到的脑控平衡车,走、停、加速、减速、转弯等至少需要5到6个特征量。正是基于这种需求,谢松云教授团队长期致力于该方面的研究,经过十多年不懈的努力,团队研发出了多种诱发模式相结合的脑控技术,目前已经可以做到3种诱发模式、7种脑特征的提取与识别,更多模式的脑特征的开发与利用近期也将攻克。

千万别小看这几个脑特征的增加,这可并非简单的数量增减,而是脑控技术应用领域一个“质”的变化,可以说是一种“颠覆性的技术革新”!

讲到这里,大家应该明白脑控无人机绕障碍飞行的技术含量和意义了吧!而相对于脑控无人机,上面提到的脑控平衡车的难度还有所不及。

谢教授告诉我们上述系统中对于脑特征的诱发,主要采用了三种模式:视觉刺激、运动想象、事件想象。

视觉刺激,通过闪烁的灯光等形象变化,刺激视觉反应,从而激发出相应的脑特征信号。这种刺激固然有效,但也有弱点:需要外加刺激装置,容易导致视觉疲劳,从而降低控制精度。

运动想象,无需外加刺激装置,只通过大脑进行特定任务的想象,刺激相应的脑区域,激发出相应的脑特征信号,通过分别想象人体进行左、右手运动等动作,激发出不同的脑特征。克服了视觉疲劳的问题,但缺点是对于提取脑特征的精确度要求很高,个体差异很大,不容易掌握。

还有一种方法叫“事件想象”,通过联想不同事件,诱发出不同的脑特征信号。这种方法虽然抽象,自由度却很高,适用范围也相当广泛。

目前可以提取的7种脑特征的诱发模式就包括4种视觉刺激、2种事件想象,结合眨眼,形成了多种诱发模式相结合的脑控技术的应用。目前,团队的相关技术已形成了18件专利。

“脑机一体化”概念的提出 推动脑控技术实际应用

尽管实现了多模式脑特征的提取,由于脑机接口的一些固有的局限性,如速度慢、正确率不够高,是国际上在脑控技术方面的一大障碍。为解决这一问题,谢教授团队率先提出了“脑机一体化”的概念,该概念的提出有力的推动了脑控技术的实际应用。

什么是“脑机一体化”?通俗来讲,就是通过脑机接口将大脑的智力和基于计算机技术的人工智能结合起来,将大脑作为计算机控制系统的一个组成部分,构成一个既有大脑的灵活和智能,又有计算机的高速和大容量的新型系统,用于对各种设备与系统的控制。它既不是完全依靠“脑”,也不是完全依靠计算机进行全程控制。这样可以大幅度的提高系统的智能化和适应性。

比如在未来的无人驾驶汽车应用中,汽车的运行主要靠基于人工智能技术的计算机系统控制的,但是人工智能系统的“智能”是依靠它所经历过的场景,场景是非常多的,常规的智能系统不可能遍历所有场景,这就是当前的无人驾驶汽车发生交通事故的原因。

加入了脑控,可以在可能发生事故的瞬间,及时发出各种警示和模式切换指令,避免了交通事故,提高了灵活性。这种模式充分发挥了人脑和智能技术各自的优势,更加有利于“脑控”技术向实际应用中的推广。

也正是基于这样的理念,谢教授将长期理论研究的成果应用于实际的脑控技术。比如,在脑信号采集方式上。脑信号的采集可以分为脑植入电极的“侵入式”和无植入的“非侵入式”。

“侵入式”就是将脑电检测的电极植入大脑,这种方式采集的信号强、稳定性强。但显然,这种方式会对人体造成创伤,除非特殊情况,否则很少有人愿意接受这种方式。

另一种就是“非侵入式”,也就是我们见到最多的,在头上佩戴一种脑电检测装置。相比之下,由于“非侵入”式装置稳定性不强,要想获得稳定的特征信号,通常需要较多采集电极的方式,然而多导联装置会由于穿戴不方便限制了推广应用。

谢松云教授带领的团队成功突破了这项难题,在少导联精确性上做出多项创新,提高了信号传输的精准度与实时性,在相关技术上达到国际先进水平,推动了脑控技术向实际应用领域的巨大进步。

技术现期应用和前景

如此炫酷的技术,从构想到普及还有多远呢?谢教授给了我们激动人心的答案:已不遥远。

随着世界范围内掀起的“脑控”热潮,核心技术的突破,即脑特征采集分析已经不再遥不可及,核心技术的突破会令控制的物品多样化,那时,便是脑控真正走向广泛应用的时候。

该系统应用前景广泛,从人们的日常生活、健康医疗,到教育教学、游戏娱乐都能覆盖。谢教授带着记者,对未来的全智能生活做出了美好畅想:

最实用的应用就是残障人士、老年人的辅助设备了。目前一些传闻中的“脑控”设备,实际上是由肌肉控制的,比如拥有多种“黑科技”的霍金轮椅,通过检测面部肌肉和眼动来实现控制,价格高达数百万美元。未来的残疾人辅助设备,如果采用“脑控”,会更加方便和智能。

随着人口老龄化程度的加深,脑控技术还可以帮助人们延缓脑衰老。日前,有的研究人员提出一款意念游戏,可延缓老年痴呆症。这被视为人工智能与脑科学的“跨界整合”。用在出行方面,当下热门的无人驾驶汽车,如果安装一套脑控设备,可以大大提高无人驾驶技术的安全性,解决该技术推广应用的最大障碍。

在前景无限美好的背后,是科学家不懈、辛劳的努力,很多看似简单的道理实现起来非常难,脑控学科属于典型的新型交叉学科,涉及神经生物学、信息学、自动化、计算机、心理学、医学、哲学等,而且在实验阶段不同的实验主体受心理因素影响干扰也较大,想要验证出稳定的结论难度巨大。

但谢松云教授团队一直没有放弃,用她的话来说:“我们从事的是颠覆性技术的研究,对人类文明的进步有着重大意义,再难也要坚持下去”。

人脑构造之复杂、神秘,千百年来一直是未破解的迷宫,所幸如谢松云教授团队这样的科学家,从未停止钻研的脚步,不断挑战不可能,革新研究手段,让人类更加了解科技,也更了解自己。正因为他们的努力,神奇的科幻大片才能美梦成真,在现实中上演。或许我们可以期待,在不久的将来,人们终将开发大脑更多潜能,心之所向,无所不往。

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