浅析脑机接口技术及主要应用

浅析脑机接口技术及主要应用

任浩肖洋汪立志

国防大学联合作战学院河北省石家庄市075000

提要：脑机接口(Brain-ComputerInterface,BCI)作为一种新型人-机交互技术，是一种可以在大脑与外部设备之间建立直接有效的信息交互的通道。通过BCI技术，人们创建了以人脑思维为媒介的全新的人-机信息交互方式。近年来,随着信号处理和计算机技术的发展,BCI研究取得了令人瞩目的成就，在医疗复健、军事装备和学习训练等相关领域已然展现出巨大的应用价值。

关键词：脑科学、脑-机接口

习主席指出，以合成生物学、基因编辑、脑科学、再生医学等为代表的生命科学领域孕育新的变革。这些原创突破为前沿技术、颠覆性技术提供了更多创新源泉，科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运，从来没有像今天这样深刻影响着人民生活福祉。7月17日，马斯科为旗下神经技术初创公司Neuralink发布找到了高校实现脑机接口(Brain-ComputerInterface,BCI)的方法，芯片直连大脑，通过无线连接与iPhone应用程序互动。Neuralink是马斯克于两年前投入数千万美元入股的一家高科技企业，其研究方向是开发将人脑与外界网络直接相连的技术。在试验中，研究人员实现了在老鼠的脑部植入电极，并用芯片收集和解读电极所传输出来的脑部信号，进而与外部设备进行通信互通。

一、脑机接口发展现状

BCI技术诞生于1970年，涉及信号处理、生物认知、模式识别、控制科学与工程、软件设计等领域。脑科学相关研究被规划为“国际前沿科学计划”，耗资上百亿，成为各国科研人员的重点关注内容。近年来，脑科学已经取得了蓬勃的发展，BCI技术成为社会各界的关注重点所在，相关领域的理论应用研究已经取得了非常丰硕的成果。比如，使瘫痪人员可以通过脚部运动想象产生的脑电信号实现虚拟人物的运动操控；根据不同角度和距离的视觉刺激所产生的视觉诱发电位来构建BCI接口，实现脑控选择系统。

国内有关BCI技术的研究起步较晚，但发展十分迅速，时至今日，在一些BCI技术领域，国内的相关研究已经位列国际领先水平。国内BCI技术成果众多，已经具有一定的技术积累，比较具有代表性的有，基于BCI技术的虚拟现实康复训练平台，让身体残障人士可以通过想象运动进行康复训练；利用运动想象脑电信号，研发制作了BCI小车导航系统，使受试者在复杂的三维虚拟环境中可以平稳地驾驶小车运动；基于脑电信号的虚拟中文键盘，利用P300相关电位的BCI系统进行的切入研究。

二、探秘脑机接口技术

众所周知，大脑不仅是人体最为复杂的组成部分，也是一个极为精密的信息处理终端。大脑内部的数十亿个神经元通过相互连接进行着信息的传递，并在整体协作框架下完成着各类认知活动。用科学仪器对大脑电位活动进行监测，即会获得如同波浪状的脑电波。脑电波与大脑意识之间存在着一定对应关系，并呈现出规律性的特点。当大脑处于清醒放松状态时，产生频率范围是8-13赫兹的α波；当大脑处于高度紧张状态时，则产生频率范围是13-30赫兹的β波。脑电波随意识、情绪波动而变化的特点，使得对于脑电波的研究与利用具有了现实可能性。

就BCI技术中的“脑”而言，其泛指有生命体活动的大脑或神经系统；“机”则涵盖了任何能够进行处理活动的外部设备。BCI技术就是在人类大脑与电子计算机等外部设备之间搭建起直接交互的信息通路。BCI技术的设计，有单向传输通信与双向传输通信两种模式。在进行单向传输通信时，主要通过人脑电波的监测与读取，来分析、判断使用人当前的想法与意图，从而生成对应的控制指令，以操控外部设备进行运作；在双向传输通信中，BCI则可在人类大脑与外部设备之间搭建起双向信息交互的平台，以便于让大脑与外部设备进行互动沟通。如何高效、及时地采集到大脑神经生物信号并成功予以识别、处理，如何将人脑的思维意识转换为外部设备操控的程序指令等等，都有赖于认知科学、深度学习、神经科学等研究领域的不断发展。

三、脑机接口技术主要应用

1、康复医学与辅助医学领域应用

巴西世界杯开幕式上，一名腰部以下严重瘫痪的少年在大脑思维作用下，驱动外骨骼系统开出了世界杯赛程上的第一脚球。其之所以能够用思维“踢球”，是源于BCI技术的介入。借助于BCI技术的发展，不仅可以实时了解残障人士的内心意图，亦可将其自身意图转化为对外部设备的操作与控制；不仅可以实现与外界交流，更可在外部设备的帮助下实施各类活动。融入人工智能、虚拟现实、机械外骨骼等技术，外部智能设备应运而生，比如，综合BCI技术与外部设备，能够基于残障人士的大脑思维作用，帮助其拨打电话、使用电子计算机；帮助体弱病患者或者丧失运动能力人士进行康复训练并给予护理。

2、提升学习与训练的专注度

BCI技术以其对于大脑信号监测与通信的优势，使其在记忆力训练、情绪控制训练、注意力训练等方面有着自身特有的巨大潜能。美国、韩国以及欧洲部分国家在对射箭专业运动员进行培养时，就已开始使用BCI技术来训练运动员大脑的专注度，从而帮助运动员有效提升自身的专业成绩。新型神经反馈训练，通过BCI相连的外部设备，对学习者或训练者的大脑活动进行实时监测。通过直接分析、判断学习者或训练者的大脑状态，有针对性地调整学习或训练方案，并在此基础上对学习者或者训练者进行提醒，以便于其能够根据自身的大脑活动状态来进行相应的认知调节。研究表明，在采用以脑机接口技术为支撑的神经反馈训练时，若发现被测试者出现注意力分散不集中，如及时提升训练的难度，则被测试者的注意力与专注度将得到明显的提升；若发现该个体处于良好学习状态时，给予其相应的学习材料，则可以明显提升学习效果与认知强度。

3、在未来战场上的独特优势

在军事领域,BCI系统可作为辅助系统对武器等设备进行控制。2013年美国国防部研究计划局（DARPA）宣布了“阿凡达”项目计划,其最终目的是用大脑意念直接控制战场上的作战平台并发布指令,通过建立机器人战士,并投入到实战中以替代随时有生命危险的战士们,从而避免战士的伤亡。

在BCI技术的帮助下，将飞行员大脑发出的操控指令与对应的飞机升空、降落、巡航、转弯等飞行活动紧密连接在一起，使得飞机驾驶舱内的传统工作已然被彻底改变。利用BCI技术，只需要利用大脑想象就可以让飞机飞得更好，不再需要历经复杂的操控训练。通过BCI作用下的控制系统，能够让飞行员仅依靠大脑就可进行飞行控制。这不仅使得操控反应时间缩短至几毫秒，也更大提升了战机飞行员的作战效能。在武器装备创新方面，利用BCI技术，能够赋予武器装备全面智能化“随意而动”的能力。作战人员可以直接通过大脑思维来对武器设备予以操控。利用该技术研发的认知技术预警系统，可以在短短数秒之内，识别出视距范围内的百余处可疑威胁目标。此外，同样利用BCI技术研发的脑电波遥控直升机等武器装备，其远程控制终端即是作战人员的大脑。基于作战人员大脑信号的远程遥控，该武器装备能够成功规避各类障碍物，大大提升了操作控制武器装备的灵敏性和安全性。

参考文献：

[1]唐艺武.三无战争.军事科学出版社，2015年12月.

[2]陈小刚，王易军，张丹.2018年脑机接口热点回眸策.科技导读2019，37（1）.