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科幻大片场景成现实:脑机接口 所想即所传

作者:北京晚报  来源:北京晚报
  发布时间:2018/09/17 10:26:14  浏览:

脑袋接上外部仪器,就可以通过脑电波来控制机器。这种只在科幻大片里出现的场景,如今在科学工作者的努力下正逐渐变成现实。不久前结束的世界机器人大会上,一场用脑电波打字的比赛就让观众感到神奇不已。比赛所采用的,是清华大学研发的“脑机接口”技术。作为中国脑科学计划的一部分,以脑机接口为基础的相关研究成果,未来也将有望运用在助老助残等多种场景之中。

现场体验

发微信不用手 用脑电波

清华大学医学科学楼二层,一个十几平方米的小房间里,洗发水、毛巾和吹风机一应俱全。隔三差五,还会有人进来洗个头。别误会,这里并不是学校的美发室,而是清华大学脑机接口实验室的测试间。洗头,是开始脑机接口实验的第一步。

脑机接口技术,指的是用脑电波向机器发送指令,再由机器完成特定任务。收集脑电波用的是一种头罩式的脑电帽,之所以要让测试者洗头,是为了清除头皮上的油脂,减少信号传输的阻碍。

世界机器人大会上展示的脑电波打字,就是脑机接口的一种实际应用。实验室的博士生杨晨介绍,现在打字系统还连上了微信,脑电波聊天也成为了可能。记者申请体验了一次如何用脑电波来发微信。戴上脑电帽,坐在电脑屏幕前,人脑与机器的信号传输正式开始。

系统启动后,屏幕上出现了一个虚拟键盘,每个键都在闪烁不止。“想打哪个字母就用眼睛盯住,系统会自动识别。”记者想发送的信息是"nihao",于是首先注视字母n,一秒之后,系统停止闪烁输出识别结果,果然是n。随后的i也比较顺利,但在字母h上却遇到了点麻烦,系统总是识别不准。

杨晨表示,这是第一次使用系统的正常现象。脑电波打字时,眼睛的视线必须非常稳定,一般人都需要一段时间来适应。除此之外,测试者的身体还要保持放松,否则会产生“肌电”影响识别。经过10分钟左右的练习,记者逐渐掌握了打字的技巧,字符的输出成功率也越来越高。终于,在用脑电波“敲击”了nihao和回车键后,信息被成功发送到了微信上。

虽然只打了短短几个字符,但记者已经感到有些疲惫,主要是因为不太适应虚拟键盘按键的不断闪烁。杨晨表示,按键闪烁是收集脑电信号的必要环节,测试者刚开始会有不适,体验一段时间之后会好很多。“我们的眼睛受到一个固定频率的闪烁刺激后,大脑会有一个跟随响应,产生同频率及它的高次谐波,就像共振一样。如果虚拟键盘的每一个键都以不同的频率闪烁,我们看不同的键时,大脑产生的‘共振’也会不一样,系统收集脑电信号后就能知道我们在看哪个键了。”

继续体验一段时间后,记者对闪烁的适应程度越来越高,但同时却发现了另外一个问题:打字者必须时刻保持精神集中。如果稍微一走神,或者眼睛看了别的地方,系统就会出现乱判的情况。对于这个问题,杨晨表示,他前不久设计出的一款新系统可以提供解决办法。记者体验新系统后发现,自己可以在打字时稍微“喘口气”了,只要不看屏幕,系统就不会一个劲地识别。“这种系统可以周期更新你的背景脑电,以此为根据判断你是否在看屏幕。以前是你必须跟着系统的节奏,现在是系统来找你的节奏,感觉肯定舒服多了。”

技术发展

二十年算法更新 识别速度快五倍

除了测试间,脑机接口实验室还有一个面积更大的办公区,十几名博士硕士生每人守着一台电脑,不断编写和修改脑机接口系统的程序代码。就是在这里,杨晨夜以继日花了一年的时间才开发出了最新款的系统。而这种不间断的研究与设计,清华大学已经坚持了整整二十年。

高小榕是清华大学医学院生物医学工程教授,也是脑机接口实验室的负责人。对于这项研究的开端,他表示一切都是机缘巧合。“1998年,美国IBM公司有一项大学研究计划,可以提供研究经费,但支持的必须是以前从没有过的研究。”当时电脑和互联网正在普及,高教授和同事想到,正常人能用电脑,残疾人和瘫痪患者怎么办?于是有人就提出了让脑电波控制电脑的想法,“后来人家公司一查,这种研究以前确实没有,我们就成功申请了项目。”

对于这项新技术如何命名,清华团队也费了一番心思。“那时候我们管它叫‘心想事成’,因为看起来我们只用想的就能完成一些操作。”到了2000年,国际上陆续出现了多个研究同类技术的机构,大家凑在一起开了一次会,才最终确定了“脑机接口”这个官方名称。

脑机接口技术采用的脑科学原理,就是前文提到的脑电信号“共振”现象,学名叫作“稳态视觉诱发电位”。多年来,关于这种电位特性的研究不断完善,为脑机接口技术提供了更加厚实的理论基础。而除了对大脑的研究,脑机接口技术更重要的突破点在于识别算法的迭代更新。这也要求研究人员既要懂大脑,更要懂计算机。

一个新算法的出现,要经过建模、推公式、编程等多个步骤。随后还要把设计出的算法投入到实际系统中,看看它能否完成识别任务。即使能够顺利识别,之后还需要经过一系列的优化,来进一步提高识别目标数、速度、准确率等性能。

高教授表示,研究团队最早开发出的系统,最多只能识别六种频率的脑电波,也就只能输出六个目标指令,每次识别需要五秒钟。因为不同人的大脑响应频率不同,测试者需要经过很长时间的训练,才能逐渐与系统磨合。经过20年来的算法更新,如今的系统性能已经大幅增强:目标总数提升到了40个,构成了有26个英文字母、10个数字键和4个功能键的虚拟键盘。识别速度也比过去快了五倍,每次大约只要一秒。在使用便捷性上,大部分人经过10分钟左右的适应,就可以达到八九成的识别准确率。

未来展望

人与人有望 通过脑电波沟通

目前,世界范围的脑机接口研究有三种主流系统,清华大学发明的“稳态视觉诱发电位”系统具有识别信号多的优势。另外两种系统——“P300电位”系统和“想象运动电位”系统都由国外率先研发。前者同样需要视觉刺激,而且可以加入纠错功能,但识别速度较慢。后者则完全无须借助视觉,但总共只能识别两到三种信号。

无论是哪种系统,最终的目的都是转化成应用,清华团队的这项系统,目标使用群体是渐冻症患者。高教授表示,霍金患渐冻症后,还能继续生活50多年,靠的就是健康的思维和坚定的意志,但大多数的渐冻患者,还是早早就放弃了生活的希望。“渐冻症患者虽然身不能动,但大脑依然是健康的。我们希望脑机接口技术能够帮助患者体现生活价值,从而延长他们的生命。”高教授表示,实验室最近正在筹备新的一轮脑控打字比赛,面向的就是患病和残疾群体。

虽然已经能举办小规模的比赛,但高教授也承认,脑机接口技术目前还主要存在于实验室阶段。究其原因,除了系统性能需要进一步优化外,学界与产业界之间也欠缺一些转化机制。另外,在脑电信号的采集工具上也存在技术瓶颈。“目前我们用的湿电极脑电帽,使用前要洗头,打导电膏,十分麻烦。而另一种干电极头环虽然戴上就能用,但采集的脑电信号又很不准。”

尽管目前仍存在难度,但高教授对于脑机接口技术的前景依然十分看好。对于未来社会的通讯方式,高教授也有自己的大胆展望。“未来人与人之间的信息输出很可能不通过语言了,而是靠脑电波直接沟通,所想即所传。”

责任编辑:hdn 最后编辑:2018/09/17 10:26:14
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