肌电信号传感器 人类距离“机械飞升”还有多远？一文看懂脑机接口技术

人类距离“机械飞升”还有多远？一文看懂脑机接口技术

潮新闻 记者 屠晨昕 通讯员 童小仙

早上醒来，你躺在床上，心里意念一动，灯就开了，咖啡机开始煮咖啡；继续赖床的你，心里再默默下指令，隔壁书房里的电脑自动开机并登录微信、抖音、B站、小红书……这是脑机接口为你塑造未来生活的冰山一角。

“脑机接口”这个词，这几天在热搜榜上居高不下。

“硅谷钢铁侠”伊隆·马斯克。新华社/法新

1月29日，伊隆·马斯克在社交平台表示，他的脑机接口公司“神经连接（Neuralink）”的首款脑机接口产品“心灵感应（Telepathy）”进行了首例人体移植，移植者恢复良好。

与汽车和航天一样，中国人未让马斯克在脑机接口领域专美于前。同日，清华大学与宣武医院团队宣布，全球首例通过植入式硬膜外电极脑机接口的四肢截瘫病例，实现自主脑控喝水。

人类发明语言已有5万年，发明文字也有数千年。今天还看似原始、笨拙的脑机接口技术，有望带给人类一种全新交流方式——用意念直接交流！

自区块链、AI大模型、量子计算之后，脑机接口大有成为下一个全球风口之势，预计未来10到20年的产业价值将达2000亿美元，妥妥的“万亿蓝海”。

四年前，浙江大学脑机接口临床转化研究团队曾在72岁的高位截瘫患者张大伯身上，完成了我国首例植入式脑机接口临床转化研究。 潮新闻邀请团队负责人之一、浙江大学医学院附属第二医院神经外科副主任朱君明，为你详解神奇的脑机接口技术。

张大伯靠意念操纵机械手臂与医生握手，其中左一为朱君明。浙大二院供图

为什么我们要发展脑机接口技术？

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）是指通过在人脑神经与外部设备（包括电子和机械设备）间建立直接连接通路，来实现神经系统和外部设备间信息交互与功能整合的技术。脑机交互是人机交互的终极手段。

朱君明告诉潮新闻记者，科学家最初研究脑机接口技术的动力，来自于医疗领域，帮助那些因高位截瘫、肌萎缩侧索硬化、闭锁综合征等重度运动功能障碍患者，重建肢体运动、语言等功能。

事实上，迄今脑机接口的最主要领域，也都是在临床康复实现高级脑功能重建。

朱君明认为，另一个更重要的目的，是把脑机接口当做探索大脑奥秘的研究手段。“人类的记忆怎样形成？记忆能不能移植？都要通过脑机接口的进步来研究探讨。 ”

近年来，人工智能技术的潜在风险浮现，很多有识之士都对此发出警告。马斯克说，人工智能是“关乎人类文明存亡的最根本风险”，而保持与机器智能同步的最好办法，是升级人类智能。

2016年7月马斯克创立了“神经连接”（Neuralink）公司。在2018年11月的一次采访中，马斯克说，该公司希望“重新定义未来人类的样子”，帮助人类“实现与人工智能的共生”。

2014年6月14日，“纯意念控制”人工神经康复机器人“神工一号”发布，项目主要负责人杜金刚（前左）和明东（前右）在指导因中风偏瘫的患者（前中）使用意念控制伸臂。新华社发（李想 摄）

脑机接口技术分成哪几类？

据朱君明介绍，脑机接口技术中主要是植入式和非植入式两大类。

植入式脑机接口需要通过手术在大脑中植入电极或芯片，记录大脑局部场电位、单个神经元的活动和多个神经元活动。植入式获取的大脑信号质量好，时间和空间解析度高，可取得比非植入式更好的性能。但是因为开颅手术风险较大，目前植入式在动物上应用较多，对人类的研究多限于瘫痪病人等特殊群体。

非植入式脑机接口无需动手术，直接从大脑外部采集大脑信号。常用的非植入式信号有头皮脑电（EEG）、功能近红外光谱（fNIRS）和功能核磁共振成像（fMRI）等，其中以EEG最为常见。EEG通常由头戴脑电帽通过电极从头皮上采集。

相对于植入式，非植入技术在日常生活中的应用也将更为广泛，发展前景巨大。

当前脑机接口常见应用场景有哪些？

虽然暂时无法像“天猫精灵”这类智能音箱一样商业化普及，脑机接口技术已经实现了一些常用的应用场景。朱君明为潮新闻列举了以下这些——

意念控制

相信你对于脑机接口应用的第一反应，就是凭借想象运动去控制一个设备。这的确是该技术在医疗领域最主要的应用方向——在大脑和假肢等外部设备之间建立一条直接传输大脑指令的通道，在脊髓及运动神经通路损坏但大脑皮层功能尚健全的情况下，让患者的脑部信号通过计算机解读，直接控制外部设备。

人工耳蜗

事实上，人工耳蜗是脑机接口迄今最成功、临床应用最普及的技术。其原理是将声音信号转化成电信号直接传输给大脑，它已经可以帮助大量失聪者重新找回声音和交流的能力。

人造视网膜

人造视网膜能像人工耳蜗协助听力一样协助视觉，它取代视网膜做眼睛本身会进行的操作，然后把电子脉冲信号传达给视觉神经。

比人工耳蜗，这个更复杂一些。第一例被美国食品药物监督管理局（FDA）批准的人造视网膜出现在2011年，它叫Argus II，有60个传感器，相比人类视网膜的100万个左右的神经元，太“傻大黑粗”了，只能看到模糊的边缘和形状，并区分亮暗。

字符输入

用意念打字的技术相对比较成熟了。2019年10月在北京举办的第三届中国脑机接口比赛上，来自天津大学的魏斯文以每分钟在电脑屏幕输出691.55比特、相当于每分钟输出69个汉字的成绩，创造了中国利用脑机接口技术打字新纪录。

研究人员表示，脑电波打字的目标是在未来实现比键盘打字速度快5倍，并希望解码脑电波中的语义信息，最终实现不同语种人群之间的直接交流。

情绪识别和疲劳监测

脑机接口还应用于一些非主流的场景，识别人的状态是开心、伤心、沮丧，用于监测人的疲劳值等等，堪称“读心术”。

2012年2月，浙大研究组宣布，他们在猴子身上实现了大脑信号“遥控”机械手做出抓、勾、握、捏等手势。新华社记者 韩传号 摄

浙江的脑机接口技术怎么样？

浙江很早便开始了“读心”的探索，脑机接口技术也已跻身世界先进水平——

早在2006年，浙大团队实现电极植入大鼠脑部的动物导航系统，让大鼠按照指令走迷宫；

2012年，浙大团队在猴子脑中植入微电极阵列，成功提取并破译了猴脑关于抓、勾、握、捏四种手势的神经信号，使猴子能通过自身“意念”直接控制外部机械手臂。

2014年，浙大团队在人脑内植入皮层脑电微电极，实现“意念”控制机械手完成高难度的“石头、剪刀、布”手指运动，创造了国内第一。

浙大二院供图

2020年1月16日，求是高等研究院“脑机接口”团队与浙大二院神经外科合作，完成国内首例植入式脑机接口临床研究，填补了国内空白。

在这项实验中，72岁的老张用意念精准控制机械手臂，把油条、可乐送到自己嘴边，还能与医生握手。

2021年4月，首位接受我国自主研发的首款闭环神经刺激器植入手术的癫痫患者，在浙大二院出院，实现脑机接口应用新突破。

脑虎科技自主研发的智能手术机器人。图源：文汇报

中国脑机接口与世界先进水平差距几何？

世界上第一款脑机接口AI假肢——中国强脑科技公司的BrainRobotics假肢，被《时代》周刊列入“2019年度最佳发明榜单”。它使用一种能让用户与假肢互相学习的算法，让人的操作熟练度不断提升，同时使用8通道肌电信号传感器，可做出精细的操控指令，甚至可以操作无限种手势。一位测试用户通过该假肢，与郎朗表演了四手联弹。

陈天桥雒芊芊研究院的脑机接口项目，让瘫痪病人用意念精确控制机械臂，甚至模拟了触觉。

朱君明告诉潮新闻记者，近日他参加了一次专家鉴定会，由中科院上海微系统与信息技术研究所副所长陶虎创办的脑虎科技公司，使用蚕丝蛋白制作的柔性电极达到Neuralink同等水平，植入创伤、长期在体安全性甚至超越了Neuralink 。

据文汇报报道，脑虎科技（NeuroXess）是中国对标Neuralink的公司，去年2月起多次使用柔性电极实现患者短期植入，并采集到高质量神经元Spike信号。

陶虎认为，2024年脑机接口领域可能会在重大脑疾病的临床诊断上取得突破性进展，而未来脑机接口最大的市场，在于增强健康人大脑功能的消费级应用。

2020年8月28日，马斯克展示Neuralink的可穿戴设备 LINK V0.9 和手术机器人。图源：视觉中国

攀登这四层“金字塔”

脑机接口帮助人类这样实现“进化”

脑机接口技术正在一日千里地发展。我们已经开始攀登脑机接口的四层金字塔，逐级“改造”人类，实现“进化”。

金字塔第一层：修复

通过心念操纵机器，让机器替代人类身体的一些机能，修复残障人士的生理缺陷。

2014年巴西世界杯开幕式，瘫痪的青年利亚诺·平托就是穿了这样庞大、笨重的外骨骼，通过脑机接口踢出了当年世界杯的第一球。

随着这个研究的持续深化，未来你只要心念一动，就可以控制手机、电视和汽车等工具。

金字塔第二层：改善

通过脑机接口，改善大脑运行，让我们时刻就像刚刚睡了一个好觉醒来，精神抖擞、注意力集中、思维敏捷，能够高效清醒高效地去做一件事情。

美国旧金山的Smart Cap公司把脑电图做成了棒球帽。这个产品可以用来缓解卡车司机的疲劳驾驶，提高注意力，减少交通危险。

2014年，美国ABM公司则通过脑电图脑机接口训练实验者，使新手学习速度比原先提升了2.3倍。

金字塔第三层：沟通

有了脑机接口，人类不用语言，仅靠大脑中的脑电信号就可以彼此沟通，实现“无损”的大脑信息传输这种脑脑交互，彼此传递的本质是神经元群的活动。不像语言的模糊和词不达意，它是一种彻底的、100%的、毫无信息扭曲的“心领神会”。

这种“心心相印”，让人想起刘慈欣《三体》中的三体人之间的交流模式。

金字塔第四层：永生

意念直接交流已经很酷了，却并非金字塔顶。顶峰的无限风光，将会是人类记忆和意识的移植。

脑机接口技术的终极目的，是把大量的信息和资料传输到大脑里，或把大脑的意识上传到计算机，最终实现人类意识和记忆在数字世界的永生。

科幻圈子里的那句流行语——“血肉苦弱，机械飞升” ，或许将变为现实。

现在，科学家已经发现大脑海马体的记忆密码，开始尝试用芯片备份记忆，然后把芯片植入另一个大脑，实现记忆移植。这个实验已经在猴子身上取得成功。

2018年，未来学博士伊恩·皮尔逊提出了人类终将长生不老的理论。这不是通过人类肉体实现，而是通过把大脑与人形机器人结合实现的。皮尔逊写道：“假设你存够了钱，也做好了准备，你的大脑可以与一台人形机器人相连，用其作为自己的身体，然后还像从前一样，你还是你，只是换了一个更年轻、高度升级的身体。这有可能在2050年左右实现。 ”

科幻片《阿凡达》中，科学家用脑机接口技术，使人类能用意识控制克隆纳威人的躯体，成为人类在潘多拉星球上自由活动的化身。图为2010年1月12日北京一影院贴出《阿凡达》海报。新华社发

技术发展的结果是人的异化还是涅槃？

脑机接口面临这五大挑战

虽然不如人工智能那样具有颠覆性，但脑机接口技术依旧面临着许多困难和挑战。

中国自动化学会混合智能专家委员会副主任、复旦大学计算机学院张军平教授表示：“脑机互联还面临很多技术和伦理方面的问题，在这方面，人类应该慎之又慎。”

挑战之一：如何准确“翻译”人的意念？

技术上首先遇到的难题是，除了如何接收和识别各种不同的脑电波以成功提取人的准确意念，如是想要读书还是喝水外，还需要让使用者学会如何自我调节大脑活动，以便成功地操作这类技术，因为任何杂念和干扰都可能让意念操控机器差之毫厘、失之千里。

比如，前述浙大团队实现意念控制机械手完成“石头、剪刀、布”动作，就遭遇了很大困难，团队采用循序渐进的训练方法，训练耗费了4个多月时间，才获此成果。

挑战之二：如何降低对人脑的损伤

植入式接口最大的挑战是手术如何将对脑部的损伤降到最低，因为传统金属材质的电极植入人脑，可能导致严重的排异反应。并且随着植入时间延长，穿刺电极被炎症细胞包裹，理论上会导致信号缺失。

好在从2015年以来，人类逐步制造出越来越好的柔性电极，越来越能被大脑组织所接纳。

挑战之三：如何深入了解我们自己的大脑？

朱君明说，人类大脑拥有多达800-1000亿个神经元，而现有的脑机接口技术能植入大脑的电极才刚刚超过1000个，人类距离了解大脑这个我们身上最复杂的器官，距离深入理解大脑功能结构和活动方式，差距实在太大了。

电极植入部位如何精准选择？信号如何有效分析？在信号控制、微制造等领域，我们也将面临前所未有的挑战。

挑战之四：如何将大脑从身体上安全分离？

在可预见的将来，我们将有面临着科幻电影《机械战警》里，将完好的大脑从坏死的躯干上分离出来，使其与机械躯体融为一体的课题。那么，如何才能有效从身体上剥离大脑？这一点本身就极其困难。

挑战之五：如何避免人的两极分化？

更长远的问题在于，人机结合是有益于一小部分人，还是大部分人？

如果商业化以后购买这一产品的价格极为昂贵，那么富有者就能凭借这一技术极大强化自身能力，在人群中产生两极分化，那就违背了人们的美好初衷。

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公益集市进街道，残疾人朋友体验高科技助残辅具

这个周末，海淀区曙光街道残联依托温馨家园搭建助残展能平台，把公益集市开进社区。17个社区120位残疾人朋友前来体验，感受科技给生活带来的便利。

上午9点，残疾人朋友三五成群结伴来到曙光文化广场，清晨的广场变得热闹非凡，一场别开生面的公益大集在这里拉开帷幕。

活动现场分为便民服务区、展能路演区、科技展示区、互动体验区4个区域。最热闹的当数科技展示区和互动体验区，在曙光街道残联的动员下，辖区内的眼科医院、康复机构等7家企业汇聚一堂，提供眼科义诊、口腔义诊等便民服务，智能语音电动轮椅、假肢矫形器、骨导助听器等高科技助残辅具也同时亮相。

现场展示的假肢矫正器轻便灵敏，深受体验者欢迎。公益助残机构工作人员介绍，该产品使用的是聚丙烯高科技板材，具有重量轻、易清洗、无异味的优势，而且产品内置了进口多触点肌电信号传感器，用起来灵敏快捷。“科技发展让我们的生活越来越便利。”肢体残疾人冯女士现场体验后感慨道。

曙光街道残联副主任谢宏亮介绍，曙光街道现有在册残疾人1020人。为保障残疾人平等、充分、便捷地参与和融入新时代社会生活，街道以温馨家园为服务平台开展了许多培训活动。同时，加强与辖区企业机构等的合作，引入更多社会资源，加大对残疾人的关爱和扶持。

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