智東西6月23日消息，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器人設(shè)備控制領(lǐng)域取得了突破性的進展——使用非侵入式腦機接口（BCI），開發(fā)了有史以來第一個能用意念控制連續(xù)追蹤電腦光標(biāo)的機械臂。

  人們從上個世紀(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。

  對于機械臂而言，舉起重物、抓取物品等行動早已如同探囊取物，但高精度、靈敏的運動規(guī)劃依然困難重重。在這項新研究出現(xiàn)前，用非侵入式腦機接口控制的機械臂一直以不穩(wěn)定、不連續(xù)的方式跟隨電腦上光標(biāo)的移動，看起來就好像屏幕卡頓了一樣，延遲問題非常明顯。

  而這一研究團隊構(gòu)建了一種新的框架，采用一種人機相互適應(yīng)的訓(xùn)練方式，通過定向增加用戶學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)能力，改進腦機接口的“大腦”和“計算機”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，機械臂能夠?qū)崟r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。這對于需要借助假肢的患者而言，絕對是一個福音。

  這一研究成果已于美國時間2019年6月19日發(fā)表在機器人頂級期刊《Science Robotics》上，名為《用于機器人設(shè)備控制的非侵入式神經(jīng)成像增強連續(xù)神經(jīng)追蹤（Noninvasive neuroi ** ging enhances continuous neural tracking for robotic device control）》。

  這項突破性的研究關(guān)乎兩個關(guān)鍵的前沿研究領(lǐng)域——腦機接口和機械臂高精度實時運動規(guī)劃。

  顧名思義，腦機接口（BCI，Brain-computer inte ** ce）指的是在人或動物大腦和外部機器設(shè)備之間建立的直接連接通路，大腦一發(fā)出信號，機器就能執(zhí)行大腦所傳達(dá)的指令。

  根據(jù)研究機構(gòu)Allied Market Research的研究報告，全球腦機接口市場預(yù)計在2020年將達(dá)到14.6億美元，從2014至2020年的年復(fù)合增長率為11.5%。

  腦機接口在醫(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)域一直是腦機接口應(yīng)用率最高的市場，癱瘓、肌肉萎縮、脊髓損傷、肢體殘疾等患者可以借此補足缺失的身體功能，實現(xiàn)和環(huán)境以及其他人之間的互動。

  腦機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。

  這些不同領(lǐng)域的復(fù)雜程度各不相同。侵入式相對容易實現(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，價格相對低廉且更方便人們佩戴，但因為不是直接接觸，它接收到的信號會有更多的噪音，導(dǎo)致它記錄到的信號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，非侵入式腦機接口已經(jīng)占了整個腦機接口市場收入的85%，并在未來表現(xiàn)出穩(wěn)定的增長狀態(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)先級的手臂或手部控制的恢復(fù)、增強或輔助技術(shù)方面，基于腦電圖的腦機接口卻并不是很有效，因為在實際臨床應(yīng)用中，機械臂的協(xié)調(diào)導(dǎo)航和精準(zhǔn)定位對于患者體驗而言至關(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)的研究團隊提出了一種統(tǒng)一的非侵入式框架，基于EEG實現(xiàn)對物理機械臂連續(xù)流暢的的二維控制與追蹤。

  其中一個研究人員叫賀斌，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)研究所電氣與計算機工程系教授。

  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。

  ▲2018年，賀斌在浙江大學(xué)開《神經(jīng)工程及腦成像》專題講座

  他的開創(chuàng)性研究將腦電圖從一維檢測技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿�維神經(jīng)成像模式。2016年12月，其團隊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械臂抓取、放置物品和駕駛無人機。

  目前，賀斌在主要推進的一個研究領(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界面。

  ▲專題講座現(xiàn)場

  賀斌表示，使用腦植入物的意念控制機器人設(shè)備已經(jīng)取得了重大進展。這是一門很棒的科學(xué)，而非侵入性是這項研究的最終目標(biāo)。神經(jīng)解碼的進展，以及非侵入式機械臂控制的實際應(yīng)用，都將對非侵入式神經(jīng)機器人的最終發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

  一方面，利用新的傳感和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，賀斌和他的實驗室團隊能夠獲取大腦深處的信號，實現(xiàn)對機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信號帶來的噪音，從而顯著改善基于腦電圖的神經(jīng)解碼，并進一步推進實時連續(xù)的2D機器人設(shè)備控制。

  這是賀斌他們第一次通過人類受試者使用非侵入式腦機接口來控制在計算機屏幕上連續(xù)追蹤光標(biāo)的機械臂。

  此前，非侵入式腦機接口只能以不穩(wěn)定、離散的方式來控制機械臂移動光標(biāo)，好像機械臂在努力“跟上”大腦的命令。而在賀斌等研究人員的努力下，機械臂的行動正在變得更加流暢、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，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再選擇最優(yōu)導(dǎo)聯(lián)的信號進行全局參數(shù)設(shè)置、預(yù)處理、特征提取和分類等信號處理任務(wù)，最終通過控制器實現(xiàn)對機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新的框架，采用一種人機相互適應(yīng)的訓(xùn)練方式，通過定向提高腦機接口的用戶學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)能力，改進腦機接口的“大腦”和“計算機”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。

  由于人腦活動隨著時間和空間的變化而改變，因此要對大腦神經(jīng)進行成像，需要使用高時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 i ** ging）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)頭顱解剖特點采用限差分頭模融入頭顱空間，來減輕噪音影響，預(yù)測大腦皮層活動。

  相比傳統(tǒng)傳感技術(shù)， EIS技術(shù)能提供更高的時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展，不過，這些方法還需經(jīng)進一步的驗證。

  ▲基于源連續(xù)追蹤腦機接口機械臂框架

  以此為基礎(chǔ)，研究人員們研發(fā)了實時ESI平臺，并使用了一種連續(xù)追蹤（CP，continuous pursuit）的方法進行訓(xùn)練，經(jīng)實驗，其框架使得傳統(tǒng)離散試驗（DT，Discrete Trial）的腦機接口學(xué)習(xí)能力提高了近60%，連續(xù)追蹤的腦機接口學(xué)習(xí)能力增強500%以上。

  實時ESI的實用性還進一步為基于傳統(tǒng)傳感器的腦機接口用戶在連續(xù)追蹤腦機接口控制方面帶來10％的改進。

  基于上述改進，研究人員們展示了機械臂的連續(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接口轉(zhuǎn)化為用于實際任務(wù)和臨床應(yīng)用的真實設(shè)備的潛力。

  迄今為止，該技術(shù)已經(jīng)在68個健全的人類受試者中進行了（每個受試者多達(dá)10次），內(nèi)容包括虛擬設(shè)備控制和機械臂控制。

  該研究團隊表示，該技術(shù)能直接適用于患者，同時他們計劃在不久的將來進行臨床試驗。

  “盡管使用非侵入性信號存在技術(shù)挑戰(zhàn)，但我們將會一直致力于把這種安全且經(jīng)濟的技術(shù)，帶給可以從中受益的人。”賀斌說，“這項努力是非侵入式腦機接口領(lǐng)域邁出的重要一步，腦機接口技術(shù)未將有機會成為無處不在的輔助技術(shù)，就像智能手機一樣�！�

  這項研究得到了美國國家補足和綜合健康中心（National Center for Complementary and Integrative Health）、國家神經(jīng)疾病和中風(fēng)研究院（National Institute of Neurological Disorders and Stroke）、國家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所（National Institute of Biomedical I ** ging and Bioengineering）和國家心理衛(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)動態(tài)追蹤能力要普遍高于非侵入式，但對于大多數(shù)人來說，非侵入式腦機接口仍然是更安全、更容易接受的選擇。

  此次連續(xù)追蹤腦機接口范例成功提升了腦機接口的性能和效率，展示了高度靈活的機械臂操控計算機光標(biāo)技能。如果這項技術(shù)能夠走向成熟，將會給癱瘓患者和手部、手臂部位運動障礙患者們的生活帶來極大的便利。

  同時，隨著研究人員對它進一步深入的研究和開發(fā)，它在將來也許會更普及地應(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，人們可以用意念實時控制計算機光標(biāo)和打字，徹底解放雙手、拋棄鍵盤。

  論文鏈接： >robotics.science ** g.org/content/4/31/eaaw6844

  文章來源：Carnegie Mellon University College of Engineering