街頭賣藝的殘疾人可以用機(jī)械臂自如地彈吉他;女主角阿麗塔只有大腦保存完好，但在依德醫(yī)生為她安裝了機(jī)械肢體后，阿麗塔奇跡般地復(fù)活了。

這是最近上線的科幻電影《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中的情節(jié)。該片呈現(xiàn)了一個人機(jī)融合極為普遍的未來世界。其中形形色色的半機(jī)械人，都離不開腦機(jī)接口(Brain Computer Interface，簡稱BCI)的支撐——畢竟，離開大腦的指揮，功能再強(qiáng)大的機(jī)械肢體也難以動彈。

其實，腦機(jī)接口技術(shù)早已不屬于純科幻。盡管離《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中描繪的發(fā)展程度相差甚遠(yuǎn)，但現(xiàn)實生活中的腦機(jī)接口技術(shù)已開始嶄露頭角。

一種全新的人機(jī)交互方式

敲鍵盤是我們與計算機(jī)交互的主要方式，近幾年興起的語音交互是人工智能技術(shù)帶來的新的交互可能。而腦機(jī)接口技術(shù)將再次帶來全新的人機(jī)交互方式。

“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變得更加方便。” 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員王毅軍在接受科技日報記者采訪時說。

簡單來說，就是可以靠直接提取大腦神經(jīng)信號來控制外部設(shè)備。

“從技術(shù)上來說，腦機(jī)接口技術(shù)可分為侵入式和非侵入式兩大類。”王毅軍說。

在大腦中植入電極或芯片屬于侵入式的腦機(jī)接口。人的大腦中有上千億個神經(jīng)元，通過植入電極，可以精準(zhǔn)地監(jiān)測到單個神經(jīng)元的放電活動。這種方式的缺點是會對大腦造成一定損傷。

而頭戴式的腦電帽則屬于非侵入式的腦機(jī)接口，它主要是使用腦電帽上的電極從頭皮上采集腦電信號。這種方式可以在頭皮上監(jiān)測到群體神經(jīng)元的放電活動，缺點是不夠精準(zhǔn)。

其實早在半個世紀(jì)前，科學(xué)家就有了將大腦與機(jī)器連接起來的想法。只不過，相關(guān)技術(shù)一直不太成熟，腦機(jī)接口技術(shù)進(jìn)展緩慢。直到2000年左右，腦電波檢測等技術(shù)的重大進(jìn)展，為腦機(jī)接口技術(shù)注入新的發(fā)展活力。

如今，腦機(jī)接口技術(shù)已成為科技大佬們關(guān)注的前沿技術(shù)。

美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)掌門人埃隆·馬斯克就投資了一家名為“Neuralink”的腦機(jī)接口初創(chuàng)公司。臉書公司也于2017年透露，它擁有一支工程師團(tuán)隊研發(fā)腦機(jī)接口技術(shù)。該團(tuán)隊計劃用光學(xué)成像設(shè)備每秒掃描大腦100次，從而實現(xiàn)讓用戶直接用意識打字。

相關(guān)研究應(yīng)用已越來越多

“盡管與科幻電影相比，現(xiàn)實生活中的腦機(jī)接口技術(shù)仍處于早期發(fā)展階段，但相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)越來越多。” 博睿康是一家關(guān)注腦機(jī)接口技術(shù)的國內(nèi)企業(yè)，該公司總經(jīng)理黃肖山在接受科技日報記者采訪時說。

醫(yī)療領(lǐng)域是腦機(jī)接口的主要用武之地。美國研究人員曾展示，利用腦機(jī)接口技術(shù)，使殘障患者通過控制機(jī)械臂進(jìn)行活動，比如拿起水杯喝水。

“但腦機(jī)接口不一定非要用來控制機(jī)械臂。”黃肖山介紹，這種技術(shù)目前還可以用來進(jìn)行神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷和康復(fù)。比如，癲癇病人的大腦會出現(xiàn)某個區(qū)域的神經(jīng)元異常放電，通過腦機(jī)接口技術(shù)檢測到神經(jīng)元異常放電后，可以對大腦進(jìn)行相應(yīng)的電刺激，從而減少癲癇發(fā)作。

王毅軍表示，中風(fēng)患者在失去肢體控制能力后，也可以通過腦機(jī)接口技術(shù)對患者的大腦運動皮層進(jìn)行訓(xùn)練，幫助病人進(jìn)行康復(fù)。

除醫(yī)療領(lǐng)域外，腦機(jī)接口技術(shù)目前還被用于航空航天、教育、娛樂等多個領(lǐng)域。例如，在航空航天領(lǐng)域，該技術(shù)可幫航天員用大腦更好地操控機(jī)械外殼，在特殊環(huán)境下執(zhí)行任務(wù);在教育領(lǐng)域，它能訓(xùn)練學(xué)生的注意力等。

最具吸引力的還是腦機(jī)接口技術(shù)的未來前景。“未來腦機(jī)接口的應(yīng)用場景有哪些?可以想想我們平時用大腦做了哪些事情。”黃肖山說。

最根本的改變是，一旦大腦與計算機(jī)實現(xiàn)更好、更快地交互，人與人之間、人與計算機(jī)之間的交互效率將實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

王毅軍解釋道，比如現(xiàn)在語言是人與人之間交流的重要方式，在說話前，大腦已編輯、形成相關(guān)信息，再通過控制肌肉運動將這些信息以語音的形式表達(dá)出來。這樣通過語音對話進(jìn)行交流的方式，效率很低。

“未來可以通過腦機(jī)接口實現(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，大腦與計算機(jī)之間直接進(jìn)行信息溝通，信息溝通的效率將被大大提高，從而真正實現(xiàn)‘心想事成’和‘意念控制’。”王毅軍說。

前景美好但存在發(fā)展瓶頸

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。

“以目前侵入式的腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用為例，在大腦中植入電極后，周圍的膠質(zhì)細(xì)胞會逐漸將電極包裹起來，電極監(jiān)測到的神經(jīng)元活動會越來越少。” 王毅軍說，幾年甚至幾個月后，電極就完全監(jiān)測不到神經(jīng)元活動，如果需要再次使用，就得重新植入電極。而電極的植入不但會損傷大腦神經(jīng)元，也會有感染的風(fēng)險。

頭戴式的腦電帽雖然不會損傷大腦，但每次使用時都需要洗干凈頭發(fā)，往腦電帽的電極中注入導(dǎo)電膠，操作起來十分麻煩。

拋開上述問題，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。

“腦機(jī)接口是一項綜合性非常強(qiáng)的技術(shù)，涉及眾多技術(shù)領(lǐng)域。”黃肖山說，正因如此，腦機(jī)接口的發(fā)展也受制于相關(guān)技術(shù)的成熟程度。

首先腦電信號的采集涉及到材料學(xué)，因為植入大腦的裝置，十分容易造成人體感染，那么就需要改進(jìn)材料技術(shù)去解決這一問題。

同時還需要精密電子電路技術(shù)，因為腦機(jī)接口需要采集神經(jīng)元發(fā)出的信號，這些信號極其微弱。假如電路中的噪音稍大，就會影響腦電信號的采集。

人工智能也是腦機(jī)接口需要利用的一項基礎(chǔ)技術(shù)。因為在采集大量腦電信號之后，需要訓(xùn)練人工智能系統(tǒng)，使其學(xué)會分析處理這些復(fù)雜的信號。

醫(yī)療技術(shù)更是不可或缺。正如影片《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中展示的，在到處都是半機(jī)械人的廢鐵城中，醫(yī)生扮演著重要角色。現(xiàn)實中，腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也離不開相關(guān)醫(yī)療技術(shù)的精密配合。

“但最重要的方面是腦科學(xué)研究。因為只有知道大腦是怎么回事，了解大腦是如何運作的，才能更好地解讀大腦生成的信息。”黃肖山說，目前對于諸如聽覺和視覺等只涉及大腦局部區(qū)域的腦電信號，學(xué)界已了解得比較深入。但對于大腦高級功能產(chǎn)生的腦電信號，比如回憶、復(fù)雜情感等，學(xué)界目前對其了解程度還很有限。