“阿凡達(dá)”場(chǎng)景成真？意念操控一切將成為現(xiàn)實(shí)

     美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的賀斌教授帶領(lǐng)其研究團(tuán)隊(duì)與明尼蘇達(dá)大學(xué)合作，成功開發(fā)出第一款非侵入式的意念控制機(jī)械臂，能夠連續(xù)跟蹤隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)光標(biāo)。

    看過電影《阿凡達(dá)》的觀眾可能會(huì)對(duì)影片中這樣一個(gè)情節(jié)記憶猶新：在潘多拉星球上，下身癱瘓的男主角躺在密封艙中，通過頭上戴著的設(shè)備，用意念操控人造的混血生物阿凡達(dá)。

    這種看似天馬行空的橋段，很有可能在不久的將來成為現(xiàn)實(shí)！

    近日，國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》旗下的《機(jī)器人技術(shù)》（Science Robotics）刊登了腦機(jī)接口（BCI）領(lǐng)域的一項(xiàng)突破性成果——美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的賀斌教授帶領(lǐng)其研究團(tuán)隊(duì)與明尼蘇達(dá)大學(xué)合作，成功開發(fā)出第一款非侵入式的意念控制機(jī)械臂，能夠連續(xù)跟蹤隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)光標(biāo)。

    有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)不僅可以幫助眾多癱瘓患者和運(yùn)動(dòng)障礙患者提升生活質(zhì)量，而且由于該項(xiàng)技術(shù)不需要在頭上手術(shù)植入電極和芯片，而是直接從人的頭皮上獲取神經(jīng)信號(hào)，因此更有可能應(yīng)用到生活場(chǎng)景，給人類生活帶來顛覆性的體驗(yàn)。

    賀斌團(tuán)隊(duì)并非首次在這一研究領(lǐng)域嶄露頭角。據(jù)僑報(bào)網(wǎng)2014年公布的消息稱，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)當(dāng)年3月公開征集“腦計(jì)劃”研究項(xiàng)目，最終決定在600個(gè)申請(qǐng)中資助36個(gè)項(xiàng)目，其中賀斌教授正是獲得資助的科學(xué)家之一。

    首個(gè)非侵入式意念控制機(jī)械臂誕生

    想要依靠意念控制外物，離不開腦機(jī)接口技術(shù)。所謂的腦機(jī)接口技術(shù)是指腦、機(jī)、接口三者的結(jié)合，是將大腦的信息通過適當(dāng)?shù)慕涌诩夹g(shù)進(jìn)行讀取，并操控外部設(shè)備的動(dòng)作。這些外部設(shè)備可以是一個(gè)機(jī)械臂，可以是虛擬鍵盤，也可以是其他任何想要操控的東西。

    盡管腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用于醫(yī)學(xué)，但大多屬于有創(chuàng)的腦機(jī)接口，需要通過手術(shù)向頭部植入電極來實(shí)現(xiàn)腦電信號(hào)的獲取。這樣做的好處就是可以直接從大腦皮層獲取信息，可以避免神經(jīng)信號(hào)因?yàn)檫h(yuǎn)距離傳輸而衰減，具有極高的信噪比和良好的分辨率。

    然而，賀斌團(tuán)隊(duì)研發(fā)的則是一種可與大腦無創(chuàng)連接的腦機(jī)接口，也是史上首個(gè)非侵入式意念控制的機(jī)械臂。

    據(jù)了解，目前這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在68名身體健全的人類受試者中進(jìn)行了測(cè)試，已成功實(shí)現(xiàn)了普通人對(duì)虛擬設(shè)備和機(jī)器臂的控制。研究人員表示，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在不久的將來進(jìn)行臨床試驗(yàn)，未來這項(xiàng)技術(shù)也可能像智能手機(jī)一樣在大眾中普及，讓每個(gè)普通人都能擁有“意念操縱物體”的超能力。

    如果無創(chuàng)腦機(jī)接口應(yīng)用到商業(yè)或者生活場(chǎng)景，又會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響呢？據(jù)網(wǎng)絡(luò)公眾號(hào)“財(cái)經(jīng)要參”描述，無創(chuàng)腦機(jī)接口無需頭上開洞手術(shù)植入電極和芯片，而是直接從人的頭皮上獲取神經(jīng)信號(hào)，戴一頂“電極帽”就可以指揮外物，可以說是隨戴隨取。

    試想未來某一天你早上醒來，只要心里想一想，燈就開了；再默默下個(gè)指令，咖啡機(jī)就開始自動(dòng)煮起了咖啡……這種顛覆性的技術(shù)，將徹底改變?nèi)伺c機(jī)器的交互方式。

    全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)數(shù)千億美元

    2014年巴西世界杯開幕式，癱瘓青年利亞諾·平托穿著龐大、笨重的骨骼服，通過腦機(jī)接口踢出了當(dāng)年世界杯的第一球。

    國(guó)內(nèi)某電視臺(tái)綜藝節(jié)目《挑戰(zhàn)不可能》上，漸凍人王甲借助清華大學(xué)神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)為其打造的一款無創(chuàng)腦機(jī)接口打字系統(tǒng)，通過對(duì)視覺神經(jīng)信號(hào)的解碼來完成打字的任務(wù)。

    與普通人想象中只存在于實(shí)驗(yàn)室中的神秘“黑科技”略有不同，實(shí)際上腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)在悄然興起，并有望迸發(fā)出巨大的潛力。

    2017年，硅谷Live聯(lián)合哈佛大學(xué)腦科學(xué)中心科學(xué)家共同打造中美首份腦機(jī)接口行業(yè)分析長(zhǎng)文，腦機(jī)接口是一種全新的輸入輸出方式，其應(yīng)用將橫跨數(shù)個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。腦機(jī)接口操作系統(tǒng)也極有可能成為繼Windows（電腦操作系統(tǒng)代表）、iOS（手機(jī)操作系統(tǒng)代表）、Alexa（語(yǔ)音操作系統(tǒng)代表）之后的又一新型人機(jī)交互系統(tǒng)。

    該文章指出，單純從腦機(jī)接口設(shè)備（EEG/EMG）的維度來看，市場(chǎng)規(guī)模在5年內(nèi)將達(dá)到25億美元；而從腦機(jī)接口將深度影響的數(shù)個(gè)科技領(lǐng)域來看，市場(chǎng)規(guī)模在5年內(nèi)將達(dá)到數(shù)千億美元，其中包括ADHD腦機(jī)接口反饋治療460億美元；大腦檢測(cè)系統(tǒng)120億美元；教育科技2500億美元；游戲產(chǎn)業(yè)1200億美元。

    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)從2014~2020年的年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)達(dá)到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。

    中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員王毅軍表示，腦機(jī)接口是讓大腦和機(jī)器直接溝通的一種系統(tǒng)，它可以讓人腦與機(jī)器互聯(lián)，人機(jī)之間的信息傳遞或通訊控制會(huì)變得更加方便。“未來可以通過腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)生物智能與機(jī)器智能的融合，即腦機(jī)混合智能，使大腦與大腦之間，大腦與計(jì)算機(jī)之間直接進(jìn)行信息溝通，信息溝通的效率將大大提高，從而真正實(shí)現(xiàn)‘心想事成’和‘意念控制’。”

    有望突破低信號(hào)分辨率掣肘

    記者通過梳理發(fā)現(xiàn)，人類從上世紀(jì)90年代就開始研究如何用意念遠(yuǎn)程操控外物，相關(guān)的新聞報(bào)道也十分多見。對(duì)于機(jī)械臂而言，舉起重物、抓取物品等行為早已如同探囊取物，但高精度、靈敏的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃依然困難重重。

    有專家指出，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。
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；而非侵入式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)。

    科技領(lǐng)域公眾號(hào)“智東西”在文章中指出，非侵入式腦機(jī)接口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)到侵入式那么高。

    文章指出，2013年，全球非侵入式腦機(jī)接口已經(jīng)占整個(gè)腦機(jī)接口市場(chǎng)收入的85%，但并沒有表現(xiàn)出穩(wěn)定的增長(zhǎng)狀態(tài)。

    王毅軍也認(rèn)為，盡管前景十分美好，現(xiàn)階段腦機(jī)接口技術(shù)還存在很多尷尬的問題。侵入式的腦機(jī)接口，在大腦中植入電極后，周圍的膠質(zhì)細(xì)胞會(huì)逐漸將電極包裹起來，電極監(jiān)測(cè)到的神經(jīng)元活動(dòng)會(huì)越來越少，幾年甚至幾個(gè)月后，電極就完全監(jiān)測(cè)不到神經(jīng)元活動(dòng)。

    “腦機(jī)接口的應(yīng)用效果也不是很理想。比如通過腦機(jī)接口操控的機(jī)械臂還很難像真人的肢體一樣靈活。總體來說，腦機(jī)接口系統(tǒng)還缺乏安全、高效、成本又低的解決方案。”王毅軍說。

    不過，本次《機(jī)器人技術(shù)》刊載的這項(xiàng)成果卻有望突破以往存在的掣肘，取得關(guān)鍵性進(jìn)展。據(jù)賀斌團(tuán)隊(duì)研究人員介紹，這種無創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)采用腦電圖記錄大腦深處的信號(hào)，并利用腦電圖源成像技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)提高了以往對(duì)機(jī)器臂的高分辨率控制。

    據(jù)介紹，相比其他無創(chuàng)的腦機(jī)接口技術(shù)，在二維平面控制光標(biāo)移動(dòng)的傳統(tǒng)任務(wù)中，這種新技術(shù)的機(jī)器學(xué)習(xí)能力提高了近60%。而在另一個(gè)更接近現(xiàn)實(shí)使用的情境中，也就是由用戶采用運(yùn)動(dòng)想象來連續(xù)追逐隨機(jī)移動(dòng)的光標(biāo)，這個(gè)任務(wù)的學(xué)習(xí)成績(jī)提高了5倍以上。