腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，簡稱 BCI）是一種能夠在大腦與外部設(shè)備之間建立直接信息交流通道的技術(shù)。其核心原理是通過電極（侵入式或非侵入式）記錄大腦活動(dòng)，利用信號處理算法將神經(jīng)信號轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的指令。通過腦機(jī)接口，人類或動(dòng)物不需要通過語言或動(dòng)作，直接用大腦就可以控制機(jī)器設(shè)備。

傳統(tǒng)腦機(jī)接口的自適應(yīng)解碼器缺乏大腦主動(dòng)參與，且腦電信號采集的通道數(shù)急劇增長，解碼算法也變得更加復(fù)雜，為腦電高效實(shí)時(shí)處理帶來巨大挑戰(zhàn)。

近日，由天津大學(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室和清華大學(xué)集成電路學(xué)院合作發(fā)布的全球首個(gè)“雙環(huán)路”無創(chuàng)腦機(jī)接口系統(tǒng)，把腦與機(jī)的信息交互，進(jìn)行了智能融合，實(shí)現(xiàn)了“1+1>2”的效果，其腦電信號解碼速度提升216倍，能耗降低至原本的1/1643，并可以實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)的靈活“腦控”。

協(xié)同演進(jìn)腦機(jī)接口框架

2月17日，相關(guān)成果的論文在線發(fā)表于國際權(quán)威期刊《自然·電子》。論文標(biāo)題為《基于憶阻器自適應(yīng)神經(jīng)形態(tài)解碼器的腦機(jī)接口》（A memristor-based adaptive neuromorphic decoder for brain-computer interfaces）。

2月19日，該論文的通訊作者之一、天津大學(xué)許敏鵬教授向澎湃科技表示，“雙環(huán)路腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)框架”的提出，不僅帶來了理論上的創(chuàng)新，更在系統(tǒng)性能方面實(shí)現(xiàn)了突破。許敏鵬解釋說，在系統(tǒng)中引入了憶阻器，使解碼速度提升很多，歸一化解碼速度提高百倍以上，能耗降低至千分之一以下；功耗降低很多，可以長時(shí)間進(jìn)行腦機(jī)交互。“憶阻器的基本原理就是模擬大腦神經(jīng)元的放電過程。”在連續(xù)6小時(shí)的長時(shí)程腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)中，“雙環(huán)路”腦機(jī)接口的準(zhǔn)確率提升約20%，打破了傳統(tǒng)腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)時(shí)長一般控制在1個(gè)小時(shí)的限制。

對于“腦控”時(shí)長上的差異，許敏鵬表示，傳統(tǒng)的腦接口研究，一般都是短時(shí)長研究。“因?yàn)槲覀兊拇竽X是一個(gè)非線性系統(tǒng)，它的腦電波一直都在變化。這種變化的腦電波會(huì)對我腦機(jī)的解碼帶來負(fù)面影響，讓它的正確率下降，導(dǎo)致沒有辦法做長時(shí)間的腦機(jī)交互。但我們是做了6個(gè)小時(shí)的腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)。我們通過‘雙環(huán)路’機(jī)制，讓整個(gè)腦機(jī)接口的系統(tǒng)性能不隨時(shí)間的推移而下降，反而提升了。”

許敏鵬表示，因?yàn)闊o人機(jī)操控應(yīng)該是目前腦機(jī)接口控制任務(wù)中難度最大的任務(wù)，所以這次他們選擇了使用腦機(jī)接口對無人機(jī)進(jìn)行操控來進(jìn)行檢測。

無人機(jī)的自由度非常高，精度也非常高，而且實(shí)時(shí)響應(yīng)。“我們的腦機(jī)接口能實(shí)現(xiàn)4個(gè)自由度的連續(xù)操控，而且能完成一些相對復(fù)雜的任務(wù)。其他的，基本上都只是兩個(gè)自由度的操控。”

（a）腦-憶阻器交互式更新框架;（b）基于憶阻器腦電解碼的實(shí)時(shí)腦控?zé)o人機(jī)飛行。

許敏鵬展望，未來5-10年內(nèi)，腦機(jī)接口系統(tǒng)有望在醫(yī)療領(lǐng)域推動(dòng)視健康診斷、偏癱康復(fù)、人工耳蝸調(diào)試等應(yīng)用落地，并在消費(fèi)電子領(lǐng)域催生意念操控、腦健康監(jiān)測等新場景。

針對無創(chuàng)設(shè)備長期佩戴的安全性爭議，許敏鵬教授則以“學(xué)習(xí)騎自行車”類比解釋：“長期佩戴這類設(shè)備，確實(shí)會(huì)對大腦活動(dòng)產(chǎn)生影響，但并非一定是不良影響。以學(xué)騎自行車為例，從最初的手忙腳亂到輕松駕馭，大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必然經(jīng)歷了重構(gòu)。這就是學(xué)習(xí)帶來的改變，是大腦習(xí)得新技能的過程，也是自身優(yōu)化升級的過程。”

天津大學(xué)許敏鵬教授（中）。