论文部分内容阅读
一个不可忽视的事实是：脑机接口技术的发展和应用已是大势所趋。
美国一名四肢瘫痪的男子30年来第一次自己吃饭，他没用四肢，而是靠自己的大脑。
这名不幸的男子叫Robert Buz Chmielewski，少年时遭遇的一次冲浪事故，导致他四肢瘫痪。2019年，他接受了一次长达十小时的手术，医护人员将六个电极植入他的大脑，以此来控制一对机械手臂。在约翰霍普金斯大学医学院的合作下，Chmielewski现在能够操纵假肢执行不同的任务，比如喂自己吃夹心小蛋糕。
Chmielewski说：“这真是太酷了！”视频中，他用大脑命令机械臂给他切一块海绵蛋糕，并喂到嘴边吃下去。虽然过程仍有点费力，但最终他开心得笑起来了，其中的成就感是四肢健全的人难以想象的。当然，仅仅能靠自己吃饭还不够，世界这么精彩，生活这么有趣，能亲自体验更多事物该多好。他说：“我希望能做得更多。”
借助脑机接口获得行动力
回到16岁的那一年，马里兰州的一次冲浪事故彻底改变了Chmielewski的命运，导致他肩膀以下瘫痪，手腕和肩膀几乎不能动弹。受够了30多年无论做什么都要依靠别人的生活，49岁时，Chmielewski自愿加入约翰霍普金斯大学的研究项目。
2019年，Chmeilewski接受了手术，目标是改善其双手对外界的感知，实现传说中的意念控制。具体来讲，Chmielewski的大脑两侧（控制运动和触觉的区域）植入了皮质内微电极阵列传感器。手术中项目团队还用到了一种首创的方法，通过实时绘制大脑活动图来确定放置电极的最佳位置。
Chmeilweki的左臂和右臂连接着三个电极，其他的连接到大脑区域，这些区域负责传递来自假肢手指的感觉反馈。
手术后几个月，Chmeilweki就能够通过由约翰霍普金斯大学应用物理实验室开发的脑机接口来控制机器手臂。
正如研究团队成员、医学博士、约翰霍普金斯大学医学院理疗与康复主任、教授Pablo Celnik 所说：“这种类型的研究，我们常称其为脑机接口（BCI）。目前绝大多数尝试都集中在通过控制大脑的一侧实现单机械臂的控制。因此，通过植入电极从大脑两侧检测信号，控制两条机械臂执行基本的日常活动，可以说是实现更为复杂任务的重要一步。”
对此，研究团队成员、约翰霍普金斯大学医学院理疗与康复助理教授Gabriela Cantarero博士补充道：“借助脑机接口同时控制两条机械臂是一项特别的挑战，因为它不是一个简单的求和，不是说只要在大脑中算出左臂的动作+右臂的动作就行。在这里，可能1加1并不等于2，1加1或许等于3.8。”
脑机接口+机器人+人工智能
参与该项目的科学家们开始设计一个结合了人工智能、机器人和脑机接口的闭环系统。有了这个系统，Chmielewski就能操纵这两个手臂来执行不同的任务。比如，先用手把蛋糕放在盘子上，然后一只手用刀切甜点，另一只手给自己喂食。
值得关注的是，这一突破性实验其实是脑机接口+机器人+人工智能的共同成就——在患者体外的硬件部分，研究人员通过人工智能技术实现了机械臂控制的部分自动化。如果说Chmielewski的努力在于通过意识控制保证细节（如：蛋糕的准确位置、蛋糕切好后的具体大小），那么机器人部分的工作则是为了让这些基本动作更易达成。
从事人机合作的APL高级机器人专家David Handelman说：“我们的目标是让机器人假肢能够在意念控制之外负责更多动作细节，比如吃食物时切多大块、该从哪里切。通过将脑机接口信号与机器人以及人工智能的结合，我们可以让人类专注于任务中最重要的部分。”
实际上，研究团队一直在探索利用神经信号实现系统的“实时”控制。为了检测效果，还有三位参与者加入了神经控制研究，最终三位参与者都成功实现了单机械臂神经控制。
该团队还在研究通过神经刺激同时为患者双手提供感觉反馈的方法。约翰霍普金斯大学应用物理实验室神经科学家、智能假肢研究的首席研究员Francesco Tenore表示，下一步的工作包括：增加患者日常活动的数量和类型，从而证明这种形式的人机合作是可靠的，从而为用户提供额外的感官反馈任务。这也就意味着，患者不必完全依靠视觉来判断是否成功，就像普通人系鞋带时不用看也能感觉到自己的动作，把鞋带系好。
Chmielweski接受采访时，谈到这项研究对行动不便的人意味着什么。他说，像他这样的残疾人，被完全剥夺了一个人的独立性，尤其是自己吃饭的能力。“能够独立做这些事情，同时还能和家人互动，这是一个重大改变。”
利用大腦植入物，四肢瘫痪的患者能够用意识同时控制两条假肢了，这对于脊髓高度损伤和神经肌肉疾病患者的能力恢复无疑有着重要意义。更多的患者会从这项突破性的实验中受益。
或许有一天，双仿生手臂系统也可以安装在机器人上，去执行人类不喜欢的肮脏、危险或枯燥的任务。机器人可以探索和修复下水道或地下隧道，或者乘坐漫游车飞往火星挖掘岩石样本。这听起来很科幻，但实际上我们正一步步向这个方向迈进。
此外，值得一提的是，大脑控制两条机械手臂实验是五角大楼国防高级研究计划局（DARPA）2006年开始的工作的延续。军方的想法是迅速改进上肢假肢技术，并为用户提供操作它的新方法。Chmielewski正在测试的两只手臂中的一只曾在2018年被一名家住佛罗里达的男子使用过。这名男子用它来工作、演奏，甚至学习演奏了几首钢琴曲。
广阔的未来
近年来，脑机接口领域的重大突破逐渐多了起来。
2020年1月16日，浙江大学正式宣布了“双脑计划”的科研成果，植入电极的志愿者可利用大脑运动皮层信号精准控制外部机械臂，实现三维空间的运动。
2020年4月23日，《细胞》（Cell）杂志刊登了一篇来自美国俄亥俄州的重磅研究论文，介绍了一个通过脑机接口系统来恢复严重脊髓损伤的患者手部触觉和运动能力的案例，该案例中触觉准确率已达到了90%。
在脑机接口领域，最吸引眼球的公司莫过于“硅谷钢铁侠”马斯克的 Neuralink。2020年8月29日，Neuralink举行发布会，展示了最新的可穿戴设备LINK V0.9和手术机器人，并通过现场的三只小猪和实时神经元活动演示，展示了 Neuralink脑机接口技术的实际应用过程。
即便马斯克在电动车、脑机接口、上火星等领域都十分激进，但在万众期待的Neuralink发布会上，马斯克请来现场展示的仍然不是人类，脑机接口技术的难度由此可见一斑。
值得一提的是，上述三例均属于“侵入式脑机接口”，即必须将电极植入到人脑中，而与之对应的“非侵入式脑机接口”则仅是将电极放置在人的头皮上进行信号采集。
谈起后者，绕不开一位中国企业家——盛大集团创始人陈天桥。在脑机接口方面，陈天桥更为注重的是“非侵入式脑机接口”。2020年10月，TCCI（陈天桥雒芊芊研究院）的首个“脑科学前沿实验室”在上海落成，中美脑科学研究领域的最新成果也一并展示，其中诸如用嗅觉控制梦境的脑科学领域研究令众人眼前一亮。
实际上，目前国内外已有众多企业开始了非侵入式的探索，利用人工智能算法、体外电极贴、手机APP检测睡眠质量、解决睡眠问题的尝试已然存在。
不论哪种方式会更先被大众认可，一个不可忽视的事实是：脑机接口技术的发展和应用已是大势所趋。
（编辑 宦菁 huanjing0511@sohu.com）
美国一名四肢瘫痪的男子30年来第一次自己吃饭，他没用四肢，而是靠自己的大脑。
这名不幸的男子叫Robert Buz Chmielewski，少年时遭遇的一次冲浪事故，导致他四肢瘫痪。2019年，他接受了一次长达十小时的手术，医护人员将六个电极植入他的大脑，以此来控制一对机械手臂。在约翰霍普金斯大学医学院的合作下，Chmielewski现在能够操纵假肢执行不同的任务，比如喂自己吃夹心小蛋糕。
Chmielewski说：“这真是太酷了！”视频中，他用大脑命令机械臂给他切一块海绵蛋糕，并喂到嘴边吃下去。虽然过程仍有点费力，但最终他开心得笑起来了，其中的成就感是四肢健全的人难以想象的。当然，仅仅能靠自己吃饭还不够，世界这么精彩，生活这么有趣，能亲自体验更多事物该多好。他说：“我希望能做得更多。”
借助脑机接口获得行动力
回到16岁的那一年，马里兰州的一次冲浪事故彻底改变了Chmielewski的命运，导致他肩膀以下瘫痪，手腕和肩膀几乎不能动弹。受够了30多年无论做什么都要依靠别人的生活，49岁时，Chmielewski自愿加入约翰霍普金斯大学的研究项目。
2019年，Chmeilewski接受了手术，目标是改善其双手对外界的感知，实现传说中的意念控制。具体来讲，Chmielewski的大脑两侧（控制运动和触觉的区域）植入了皮质内微电极阵列传感器。手术中项目团队还用到了一种首创的方法，通过实时绘制大脑活动图来确定放置电极的最佳位置。
Chmeilweki的左臂和右臂连接着三个电极，其他的连接到大脑区域，这些区域负责传递来自假肢手指的感觉反馈。
手术后几个月，Chmeilweki就能够通过由约翰霍普金斯大学应用物理实验室开发的脑机接口来控制机器手臂。
正如研究团队成员、医学博士、约翰霍普金斯大学医学院理疗与康复主任、教授Pablo Celnik 所说：“这种类型的研究，我们常称其为脑机接口（BCI）。目前绝大多数尝试都集中在通过控制大脑的一侧实现单机械臂的控制。因此，通过植入电极从大脑两侧检测信号，控制两条机械臂执行基本的日常活动，可以说是实现更为复杂任务的重要一步。”
对此，研究团队成员、约翰霍普金斯大学医学院理疗与康复助理教授Gabriela Cantarero博士补充道：“借助脑机接口同时控制两条机械臂是一项特别的挑战，因为它不是一个简单的求和，不是说只要在大脑中算出左臂的动作+右臂的动作就行。在这里，可能1加1并不等于2，1加1或许等于3.8。”
脑机接口+机器人+人工智能
参与该项目的科学家们开始设计一个结合了人工智能、机器人和脑机接口的闭环系统。有了这个系统，Chmielewski就能操纵这两个手臂来执行不同的任务。比如，先用手把蛋糕放在盘子上，然后一只手用刀切甜点，另一只手给自己喂食。
值得关注的是，这一突破性实验其实是脑机接口+机器人+人工智能的共同成就——在患者体外的硬件部分，研究人员通过人工智能技术实现了机械臂控制的部分自动化。如果说Chmielewski的努力在于通过意识控制保证细节（如：蛋糕的准确位置、蛋糕切好后的具体大小），那么机器人部分的工作则是为了让这些基本动作更易达成。
从事人机合作的APL高级机器人专家David Handelman说：“我们的目标是让机器人假肢能够在意念控制之外负责更多动作细节，比如吃食物时切多大块、该从哪里切。通过将脑机接口信号与机器人以及人工智能的结合，我们可以让人类专注于任务中最重要的部分。”
实际上，研究团队一直在探索利用神经信号实现系统的“实时”控制。为了检测效果，还有三位参与者加入了神经控制研究，最终三位参与者都成功实现了单机械臂神经控制。
该团队还在研究通过神经刺激同时为患者双手提供感觉反馈的方法。约翰霍普金斯大学应用物理实验室神经科学家、智能假肢研究的首席研究员Francesco Tenore表示，下一步的工作包括：增加患者日常活动的数量和类型，从而证明这种形式的人机合作是可靠的，从而为用户提供额外的感官反馈任务。这也就意味着，患者不必完全依靠视觉来判断是否成功，就像普通人系鞋带时不用看也能感觉到自己的动作，把鞋带系好。
Chmielweski接受采访时，谈到这项研究对行动不便的人意味着什么。他说，像他这样的残疾人，被完全剥夺了一个人的独立性，尤其是自己吃饭的能力。“能够独立做这些事情，同时还能和家人互动，这是一个重大改变。”
利用大腦植入物，四肢瘫痪的患者能够用意识同时控制两条假肢了，这对于脊髓高度损伤和神经肌肉疾病患者的能力恢复无疑有着重要意义。更多的患者会从这项突破性的实验中受益。
或许有一天，双仿生手臂系统也可以安装在机器人上，去执行人类不喜欢的肮脏、危险或枯燥的任务。机器人可以探索和修复下水道或地下隧道，或者乘坐漫游车飞往火星挖掘岩石样本。这听起来很科幻，但实际上我们正一步步向这个方向迈进。
此外，值得一提的是，大脑控制两条机械手臂实验是五角大楼国防高级研究计划局（DARPA）2006年开始的工作的延续。军方的想法是迅速改进上肢假肢技术，并为用户提供操作它的新方法。Chmielewski正在测试的两只手臂中的一只曾在2018年被一名家住佛罗里达的男子使用过。这名男子用它来工作、演奏，甚至学习演奏了几首钢琴曲。
广阔的未来
近年来，脑机接口领域的重大突破逐渐多了起来。
2020年1月16日，浙江大学正式宣布了“双脑计划”的科研成果，植入电极的志愿者可利用大脑运动皮层信号精准控制外部机械臂，实现三维空间的运动。
2020年4月23日，《细胞》（Cell）杂志刊登了一篇来自美国俄亥俄州的重磅研究论文，介绍了一个通过脑机接口系统来恢复严重脊髓损伤的患者手部触觉和运动能力的案例，该案例中触觉准确率已达到了90%。
在脑机接口领域，最吸引眼球的公司莫过于“硅谷钢铁侠”马斯克的 Neuralink。2020年8月29日，Neuralink举行发布会，展示了最新的可穿戴设备LINK V0.9和手术机器人，并通过现场的三只小猪和实时神经元活动演示，展示了 Neuralink脑机接口技术的实际应用过程。
即便马斯克在电动车、脑机接口、上火星等领域都十分激进，但在万众期待的Neuralink发布会上，马斯克请来现场展示的仍然不是人类，脑机接口技术的难度由此可见一斑。
值得一提的是，上述三例均属于“侵入式脑机接口”，即必须将电极植入到人脑中，而与之对应的“非侵入式脑机接口”则仅是将电极放置在人的头皮上进行信号采集。
谈起后者，绕不开一位中国企业家——盛大集团创始人陈天桥。在脑机接口方面，陈天桥更为注重的是“非侵入式脑机接口”。2020年10月，TCCI（陈天桥雒芊芊研究院）的首个“脑科学前沿实验室”在上海落成，中美脑科学研究领域的最新成果也一并展示，其中诸如用嗅觉控制梦境的脑科学领域研究令众人眼前一亮。
实际上，目前国内外已有众多企业开始了非侵入式的探索，利用人工智能算法、体外电极贴、手机APP检测睡眠质量、解决睡眠问题的尝试已然存在。
不论哪种方式会更先被大众认可，一个不可忽视的事实是：脑机接口技术的发展和应用已是大势所趋。
（编辑 宦菁 huanjing0511@sohu.com）