卡內(nèi)基梅隆大學(xué)與明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員在非侵入式機(jī)器人設(shè)備控制領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展——使用非侵入式腦機(jī)接口（BCI），開發(fā)了有史以來第一個(gè)能用意念控制連續(xù)追蹤電腦光標(biāo)的機(jī)械臂。
人們從上個(gè)世紀(jì)90年代就開始研究如何用意念遠(yuǎn)程操控外物，這一研究領(lǐng)域的一大難點(diǎn)在于，如何在不需要向大腦植入任何芯片和傳感器的情況下，獲取大腦發(fā)出的信號(hào)。
對(duì)于機(jī)械臂而言，舉起重物、抓取物品等行動(dòng)早已如同探囊取物，但高精度、靈敏的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃依然困難重重。在這項(xiàng)新研究出現(xiàn)前，用非侵入式腦機(jī)接口控制的機(jī)械臂一直以不穩(wěn)定、不連續(xù)的方式跟隨電腦上光標(biāo)的移動(dòng)，看起來就好像屏幕卡頓了一樣，延遲問題非常明顯。
而這一研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一種新的框架，采用一種人機(jī)相互適應(yīng)的訓(xùn)練方式，通過定向增加用戶學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)能力，改進(jìn)腦機(jī)接口的“大腦”和“計(jì)算機(jī)”組成部分，并通過腦電圖（EEG，Electroencephalogram）源成像的方式提高非侵入性神經(jīng)數(shù)據(jù)的空間分辨率。
最終，他們不僅將傳統(tǒng)的非侵入式腦機(jī)接口學(xué)習(xí)能力提升了近60%，還將連續(xù)追蹤電腦光標(biāo)的能力提升了5倍以上。也就是說，機(jī)械臂能夠?qū)崟r(shí)連續(xù)地操縱電腦光標(biāo)，幾乎接近你直接用手操控鼠標(biāo)光標(biāo)的體驗(yàn)。這對(duì)于需要借助假肢的患者而言，絕對(duì)是一個(gè)福音。
這一研究成果已于美國(guó)時(shí)間2019年6月19日發(fā)表在機(jī)器人頂級(jí)期刊《Science Robotics》上，名為《用于機(jī)器人設(shè)備控制的非侵入式神經(jīng)成像增強(qiáng)連續(xù)神經(jīng)追蹤（Noninvasive neuroimaging enhances continuous neural tracking for robotic device control）》。
非侵入式腦機(jī)接口更安全，低信號(hào)分辨率成發(fā)展阻礙
這項(xiàng)突破性的研究關(guān)乎兩個(gè)關(guān)鍵的前沿研究領(lǐng)域——腦機(jī)接口和機(jī)械臂高精度實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。
顧名思義，腦機(jī)接口（BCI，Brain-computer interface）指的是在人或動(dòng)物大腦和外部機(jī)器設(shè)備之間建立的直接連接通路，大腦一發(fā)出信號(hào)，機(jī)器就能執(zhí)行大腦所傳達(dá)的指令。
根據(jù)研究機(jī)構(gòu)Allied Market Research的研究報(bào)告，全球腦機(jī)接口市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2020年將達(dá)到14.6億美元，從2014至2020年的年復(fù)合增長(zhǎng)率為11.5%。
腦機(jī)接口在醫(yī)療保健、智能家居控制、娛樂和游戲等領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。其中，醫(yī)療保健領(lǐng)域一直是腦機(jī)接口應(yīng)用率最高的市場(chǎng)，癱瘓、肌肉萎縮、脊髓損傷、肢體殘疾等患者可以借此補(bǔ)足缺失的身體功能，實(shí)現(xiàn)和環(huán)境以及其他人之間的互動(dòng)。
腦機(jī)接口主要分為侵入式、部分侵入式和非侵入式三種類型。侵入式需要往大腦里植入神經(jīng)芯片、傳感器等外來設(shè)備；部分侵入式一般植入到顱腔內(nèi)、灰質(zhì)外；非侵入式有腦電圖（EEG）、功能性磁共振成像（fMRI）等類型，通常是通過腦電帽接觸頭皮的方式，間接獲取大腦皮層神經(jīng)信號(hào)。
這些不同領(lǐng)域的復(fù)雜程度各不相同。侵入式相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但面臨植入流程復(fù)雜、需要專業(yè)醫(yī)療和外科知識(shí)來正確安裝和操作、植入物可能引起人體排異反應(yīng)以及造成感染等問題。
而非侵入式使用的是外部傳感器，價(jià)格相對(duì)低廉且更方便人們佩戴，但因?yàn)椴皇侵苯咏佑|，它接收到的信號(hào)會(huì)有更多的噪音，導(dǎo)致它記錄到的信號(hào)分辨率和控制精度很難達(dá)到像侵入式那么高。
由于非侵入式的易用性，2013年，非侵入式腦機(jī)接口已經(jīng)占了整個(gè)腦機(jī)接口市場(chǎng)收入的85%，并在未來表現(xiàn)出穩(wěn)定的增長(zhǎng)狀態(tài)。
盡管非侵入式更受歡迎，但在預(yù)期患者群體中處于最高優(yōu)先級(jí)的手臂或手部控制的恢復(fù)、增強(qiáng)或輔助技術(shù)方面，基于腦電圖的腦機(jī)接口卻并不是很有效，因?yàn)樵趯?shí)際臨床應(yīng)用中，機(jī)械臂的協(xié)調(diào)導(dǎo)航和精準(zhǔn)定位對(duì)于患者體驗(yàn)而言至關(guān)重要。
為了滿足這一需求，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)與明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種統(tǒng)一的非侵入式框架，基于EEG實(shí)現(xiàn)對(duì)物理機(jī)械臂連續(xù)流暢的的二維控制與追蹤。
華人學(xué)術(shù)領(lǐng)袖：已實(shí)現(xiàn)高分辨率，研發(fā)連續(xù)追蹤新范式
其中一個(gè)研究人員叫賀斌，現(xiàn)任卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon University）的生物醫(yī)學(xué)工程系主任和神經(jīng)科學(xué)研究所電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授。
賀斌在1982年本科畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣工程專業(yè)，1985年獲東京工業(yè)大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位，1988年獲東京工業(yè)大學(xué)生物電工學(xué)博士學(xué)位，并于1991年拿到在哈佛大學(xué)-麻省理工學(xué)院（MIT）的生物醫(yī)學(xué)工程博士后獎(jiǎng)學(xué)金。
他在功能性生物醫(yī)學(xué)成像、多模式神經(jīng)成像和非侵入式腦機(jī)界面等神經(jīng)工程和生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域做出了重要的研究和教育貢獻(xiàn)。
他的開創(chuàng)性研究將腦電圖從一維檢測(cè)技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S神經(jīng)成像模式。2016年12月，其團(tuán)隊(duì)首次證明人類在沒有植入腦電極的情況下，僅用意念就可以控制三維空間中的機(jī)械臂抓取、放置物品和駕駛無人機(jī)。
目前，賀斌在主要推進(jìn)的一個(gè)研究領(lǐng)域，即是開發(fā)出幫助殘疾患者的非侵入式心智控制腦機(jī)界面。
賀斌表示，使用腦植入物的意念控制機(jī)器人設(shè)備已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。這是一門很棒的科學(xué)，而非侵入性是這項(xiàng)研究的最終目標(biāo)。神經(jīng)解碼的進(jìn)展，以及非侵入式機(jī)械臂控制的實(shí)際應(yīng)用，都將對(duì)非侵入式神經(jīng)機(jī)器人的最終發(fā)展產(chǎn)生重大影響。
一方面，利用新的傳感和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，賀斌和他的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)能夠獲取大腦深處的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的高分辨率控制。
另一方面，通過非侵入式神經(jīng)成像和一種新的連續(xù)追蹤范式，他們正在攻克EEG信號(hào)帶來的噪音，從而顯著改善基于腦電圖的神經(jīng)解碼，并進(jìn)一步推進(jìn)實(shí)時(shí)連續(xù)的2D機(jī)器人設(shè)備控制。
創(chuàng)新框架：傳統(tǒng)方法學(xué)習(xí)能力提高60%，連續(xù)追蹤學(xué)習(xí)能力增強(qiáng)5倍
這是賀斌他們第一次通過人類受試者使用非侵入式腦機(jī)接口來控制在計(jì)算機(jī)屏幕上連續(xù)追蹤光標(biāo)的機(jī)械臂。
此前，非侵入式腦機(jī)接口只能以不穩(wěn)定、離散的方式來控制機(jī)械臂移動(dòng)光標(biāo)，好像機(jī)械臂在努力“跟上”大腦的命令。而在賀斌等研究人員的努力下，機(jī)械臂的行動(dòng)正在變得更加流暢、連續(xù)。
腦電圖系統(tǒng)的基本流程是先經(jīng)由電極帽等采集裝置獲取到大腦皮層的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再選擇最優(yōu)導(dǎo)聯(lián)的信號(hào)進(jìn)行全局參數(shù)設(shè)置、預(yù)處理、特征提取和分類等信號(hào)處理任務(wù)，最終通過控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂等外部裝置的控制。
而在本文介紹的新研究中，研究人員們建立了一個(gè)新的框架，采用一種人機(jī)相互適應(yīng)的訓(xùn)練方式，通過定向提高腦機(jī)接口的用戶學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)能力，改進(jìn)腦機(jī)接口的“大腦”和“計(jì)算機(jī)”部分，并通過腦電圖（EEG）源成像提高非侵入式神經(jīng)數(shù)據(jù)的空間分辨率。
由于人腦活動(dòng)隨著時(shí)間和空間的變化而改變，因此要對(duì)大腦神經(jīng)進(jìn)行成像，需要使用高時(shí)間和高空間分辨率的工具。
本次研究采用的腦電圖源成像（ESI，EEG source imaging）技術(shù)是通過頭皮的電位分布反推顱內(nèi)皮層的電位分布，并根據(jù)頭顱解剖特點(diǎn)采用限差分頭模融入頭顱空間，來減輕噪音影響，預(yù)測(cè)大腦皮層活動(dòng)。
相比傳統(tǒng)傳感技術(shù)， EIS技術(shù)能提供更高的時(shí)間分辨率和空間分辨率，給離線神經(jīng)解碼領(lǐng)域帶來了令人驚喜的進(jìn)展，不過，這些方法還需經(jīng)進(jìn)一步的驗(yàn)證。
以此為基礎(chǔ)，研究人員們研發(fā)了實(shí)時(shí)ESI平臺(tái)，并使用了一種連續(xù)追蹤（CP，continuous pursuit）的方法進(jìn)行訓(xùn)練，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，其框架使得傳統(tǒng)離散試驗(yàn)（DT，Discrete Trial）的腦機(jī)接口學(xué)習(xí)能力提高了近60%，連續(xù)追蹤的腦機(jī)接口學(xué)習(xí)能力增強(qiáng)500%以上。
實(shí)時(shí)ESI的實(shí)用性還進(jìn)一步為基于傳統(tǒng)傳感器的腦機(jī)接口用戶在連續(xù)追蹤腦機(jī)接口控制方面帶來10％的改進(jìn)。
基于上述改進(jìn)，研究人員們展示了機(jī)械臂的連續(xù)控制能力，其水平與虛擬光標(biāo)控制的水平幾乎相同，突出了非侵入式腦機(jī)接口轉(zhuǎn)化為用于實(shí)際任務(wù)和臨床應(yīng)用的真實(shí)設(shè)備的潛力。
迄今為止，該技術(shù)已經(jīng)在68個(gè)健全的人類受試者中進(jìn)行了測(cè)試（每個(gè)受試者多達(dá)10次），測(cè)試內(nèi)容包括虛擬設(shè)備控制和機(jī)械臂控制。
該研究團(tuán)隊(duì)表示，該技術(shù)能直接適用于患者，同時(shí)他們計(jì)劃在不久的將來進(jìn)行臨床試驗(yàn)。
“盡管使用非侵入性信號(hào)存在技術(shù)挑戰(zhàn)，但我們將會(huì)一直致力于把這種安全且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)，帶給可以從中受益的人。”賀斌說，“這項(xiàng)努力是非侵入式腦機(jī)接口領(lǐng)域邁出的重要一步，腦機(jī)接口技術(shù)未將有機(jī)會(huì)成為無處不在的輔助技術(shù)，就像智能手機(jī)一樣。”
這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)家補(bǔ)足和綜合健康中心（National Center for Complementary and Integrative Health）、國(guó)家神經(jīng)疾病和中風(fēng)研究院（National Institute of Neurological Disorders and Stroke）、國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所（National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering）和國(guó)家心理衛(wèi)生研究所（National Institute of Mental Health）的支持。
結(jié)語：非侵入式腦機(jī)接口邁出重要一步
盡管目前侵入式神經(jīng)解碼領(lǐng)域的目標(biāo)動(dòng)態(tài)追蹤能力要普遍高于非侵入式，但對(duì)于大多數(shù)人來說，非侵入式腦機(jī)接口仍然是更安全、更容易接受的選擇。
此次連續(xù)追蹤腦機(jī)接口范例成功提升了腦機(jī)接口的性能和效率，展示了高度靈活的機(jī)械臂操控計(jì)算機(jī)光標(biāo)技能。如果這項(xiàng)技術(shù)能夠走向成熟，將會(huì)給癱瘓患者和手部、手臂部位運(yùn)動(dòng)障礙患者們的生活帶來極大的便利。
同時(shí)，隨著研究人員對(duì)它進(jìn)一步深入的研究和開發(fā)，它在將來也許會(huì)更普及地應(yīng)用到普通人的生活中。我們不妨大膽設(shè)想一下，或許未來有一天，人們可以用意念實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)光標(biāo)和打字，徹底解放雙手、拋棄鍵盤。
