“腦機接口”技術：讓“腦控”成為現實

腦科學與認知科學專家、國防科技大學胡德文教授為您講述

◎它能讓外部設備讀懂大腦神經信號，讓機器或物體按人腦意念思維執行操作。

◎它的發展將賦予未來武器裝備“隨心所動”的智能化本領。

科學來源于幻想，這句話有一定的道理。電影《阿凡達》的男主角是一位坐在輪椅上的殘障人士，然而，他卻可以用思維去控制一具人造的“外星人”軀體，上演了一場“心靈感應”的神奇。電影《環太平洋》中，“機器人”大戰外星球怪獸的視覺盛宴，更是讓鋼鐵之軀的機器人獲得了人腦的智能。2014年世界杯開幕式上，來自巴西的一名殘疾人利用腦控技術完成了首次開球，向全世界觀眾展示了腦科學發展的魅力。

這些神奇的情景，如今正逐步變成了現實，這主要得益于“腦機接口”技術的發展。自20世紀70年代“腦機接口”技術誕生以來，經過近半個世紀的發展，研究人員現在已經能夠實時捕捉人腦中的復雜神經信號，并用它直接控制外部設備，使得人和機械可以作為一個生命的不同組成部分而共存，它讓人腦思維控制外部物體不再是幻想，電影中的科幻情景正逐步走進人們的生活，并越來越受到世界各國科學家和政府的高度重視。

國際腦研究組織宣布，21世紀是“腦科學時代”。

外部設備：如何讀懂大腦神經信號

人腦是一個高度復雜的信息處理系統，它由數十億個神經元通過相互連接來進行信息交流，以整體協調的方式完成各種各樣的認知任務。作為腦科學的一個分支，“腦機接口”技術十分復雜。

在人類進化過程中，科學家們發現，當一個人的大腦在進行思維活動、產生意識或受到外界刺激（如視覺、聽覺等）時，伴隨其神經系統運行的還有一系列電活動，從而產生腦電信號。“腦機接口”技術通過采集人腦皮層神經系統活動產生的腦電信號，經過放大、濾波等方法將其轉化為可以被計算機識別的信號，從中辨別出人的真實意圖。其核心技術包括人腦神經生物信號采集技術、人腦神經生物信號處理技術、人機高效協同技術。

與其他通信及控制系統一樣，“腦機接口”系統主要由輸入信號、輸出信號、信號處理和轉換等功能環節組成。輸入信號是來自人腦頭皮或腦表面記錄的腦電信號，以及人腦內記錄的神經元電活動。輸出信號是由人腦思維轉換形成的控制外部設備的具體操作想法。信號處理就是通過對源信號的處理分析、特征提取和功能分類，從而產生操作驅動指令，通過物理傳輸裝置實現與外界的有效交流。

也就是說，人腦想執行某項操作，不需要通過肢體動作，可通過“腦機接口”技術，讓外部設備讀懂人腦的神經信號，并將其思維活動轉換為指令信號，即可實現對外部物理設備的有效控制，從而實現根據人腦思維執行操作。

意念控制：從科幻逐步走向實現

在科學領域，越是復雜的東西越能夠引起科學家的研究興趣，“腦機接口”技術也是這樣。自1973年美國科學家維達爾首次提出這一命題后，它便成為腦科學與認識科學領域一個極具潛力的前沿研究方向，科研人員經過幾十年的研究和試驗，已取得一系列突破性進展。

1988年，美國科學家法威爾和杜切爾用人腦控制實現了虛擬打字機操作。瑞士科學家加朗（F.Galán）領導的研究團隊通過對人腦左/右手運動思維產生的神經信號，通過相應的智能控制系統，實現了輪椅按人腦意識控制行走，使殘疾人不需要他人輔助，自主完成輪椅的運動控制。

2006年，日本筑波大學山海嘉之領導的團隊研制出“混合輔助腿”。不僅能幫助殘疾人以4千米/小時的速度行走、毫不費力地爬樓梯，而且可以托起40千克的重物。

2013年3月，英國艾塞克斯大學的研究人員開發出第一種用于控制飛船模擬器的“腦機接口”裝置，美國航空航天局的科研人員為這個裝置編寫了一套計算機模擬程序。將它戴在頭上后，通過人腦意念即可控制飛船的模擬飛行。

在我國，國防科技大學認知科學基礎研究團隊經過20多年的研究，現在已實現讓機器人按照人腦的思維自由行走或執行某項操作。安裝有“腦機接口”裝置的汽車，可以不通過人的肢體操作，僅通過采集的人腦神經信號，按照人腦的思維意識啟動、加減速或轉彎，速度可達到5～10千米/小時。

不過，這些研究成果大多數仍處于試驗階段，目前，“腦機接口”技術僅在醫療康復、神經疾病診斷等方面獲得了成功應用。

軍事應用：美國一馬當先著力研發

“腦機接口”技術作為一種新型的人機交互方式，它為武器裝備操控提供了全新的智能化發展方向。實現人腦對武器裝備的直接控制，賦予武器裝備“隨心所動”的智能化特征，正成為西方軍事強國追求的目標。

21世紀初，美國就開始探討“腦機接口”技術的軍事應用，美國國防部投入巨資研究武器與人的相互作用機理，研究用人的意念控制的機器人士兵，以降低戰爭傷亡率。2004年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）投入2400萬美元資助美國杜克大學神經工程中心等6個實驗室進行了“思維控制機器人”的研究工作，還聯合商業研發機構和地方政府開展了腦聽器、心靈及生理響應系統、無線電催眠發生器等多項“腦機接口”技術產品的研發工作。其“認知技術威脅預警”項目，已經獲得了初步科研成果，可使士兵能夠在2～3秒內識別視場范圍內100個威脅目標。美國空軍則利用“腦機接口”技術研究肌體協同控制技術，以提高戰斗機飛行員的快速反應能力。

2013年，美國國防部在其預算報告中披露了一項名為“阿凡達”的研究項目，計劃在未來實現能夠通過意念進行遠程操控“機器戰士”，以代替士兵在戰場上作戰，遂行各種戰斗任務。

未來，隨著“腦機接口”技術的發展，利用人腦意識活動實現武器裝備操控，賦予武器裝備“隨心所動”智能化操作，替代士兵執行特殊作戰任務，將不再是神話。

前景廣闊：人類加速邁入腦科學時代

研究腦科學的目的在于揭示人腦智能的本質，其研究與應用具有廣闊的前景，世界各國紛紛投入人力和資金加緊研發。

20世紀90年代，美國率先提出“腦的十年計劃”，歐盟成立“歐洲腦的十年”委員會，國際腦科學組織也采取一系列舉措推動腦科學研究。1995年，日本政府宣布投入200億美元實施“腦科學時代”計劃，把“認識腦、保護腦、創造腦”作為腦研究三大目標。2013年4月2日，時任美國總統的奧巴馬正式宣布開展人腦研究計劃，該項研究的啟動基金為1億多美元。同年，歐盟計劃投入10億英鎊啟動為期10年的“歐洲人類大腦研究計劃”，希望能模擬一個完整的人腦功能，加深對人腦的認識。目前，西方的著名大學幾乎都設有腦科學研究機構，一些企業也紛紛加入研究行列。

在我國《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》中，腦科學與認知科學被列入八大前沿科學問題之一，強調要加強“腦發育、可塑性與人類智力的關系”研究。2013年，作為“事關我國未來發展的重大科技項目”之一的“中國腦計劃”正式啟動。

21世紀被許多科學家稱為“生命科學、腦科學的百年”，作為認知神經科學奠基人之一的葛詹尼加（Gazzaniga）稱21世紀為“腦研究世紀”。隨著腦科學和認知科學的興起和發展，以人類為中心的認知和智能活動的研究已進入新的階段。