第一款無(wú)創(chuàng)腦控機(jī)器人手臂誕生

來(lái)自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)與明尼蘇達(dá)大學(xué)的研究人員日前利用無(wú)創(chuàng)的腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出第一款由大腦控制的機(jī)器人手臂，具有連續(xù)跟蹤計(jì)算機(jī)光標(biāo)的能力。該成果發(fā)表在 Science Robotics上。僅依靠大腦意識(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)控制機(jī)器人裝置，將具有巨大的應(yīng)用潛力，尤其是將改變癱瘓患者和運(yùn)動(dòng)障礙患者的生活。

在科幻作品中，意念控制的實(shí)現(xiàn)可以順手拈來(lái)、輕而易舉。而在現(xiàn)實(shí)世界中，其背后支持性的技術(shù)——腦機(jī)接口技術(shù)也已有近百年的歷史。

一直以來(lái)，科學(xué)家們希望能夠在腦機(jī)接口領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)科學(xué)研究與應(yīng)用技術(shù)的突破，為許多當(dāng)前仍無(wú)法解答的難題提供更好的探索工具，幫助人類(lèi)進(jìn)一步了解自己的大腦，預(yù)防、診斷、治療腦部疾病，并將這一技術(shù)廣泛應(yīng)用于睡眠管理、智能生活和殘疾人康復(fù)等領(lǐng)域。

如今，腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)被證明能夠很好地利用大腦植入物的信號(hào)來(lái)控制機(jī)器人設(shè)備。當(dāng)機(jī)器人設(shè)備可以被高精度控制時(shí)，它們可以用來(lái)完成各種日常任務(wù)。

然而，到目前為止，那些腦機(jī)接口成功地控制機(jī)械手臂的研究，都使用了侵入性的大腦植入物。這些植入物需要大量的醫(yī)學(xué)和外科專(zhuān)業(yè)知識(shí)才能正確安裝和操作，更不用說(shuō)成本和對(duì)受試者的潛在風(fēng)險(xiǎn)。因此，它們的應(yīng)用僅限于少數(shù)臨床病例。

另一方面，使用非侵入性外部傳感還存在諸多問(wèn)題，如腦機(jī)接口設(shè)備接收的信號(hào)“更雜”，導(dǎo)致信號(hào)分辨率較低和更不精確的控制。開(kāi)發(fā)侵入性較小甚至完全無(wú)創(chuàng)的腦機(jī)接口技術(shù)，使癱瘓患者能夠利用自己的“思想”控制機(jī)器人肢體，是腦機(jī)接口領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。這種非侵入性腦機(jī)接口技術(shù)如果成功，將會(huì)給許多患者甚至普通人帶來(lái)巨大的改變。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系主任賀斌表示，使用腦部植入物的大腦控制機(jī)器人設(shè)備已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，這是一門(mén)出色的科學(xué)。但非侵入性是最終目標(biāo)，神經(jīng)解碼的進(jìn)步和無(wú)創(chuàng)機(jī)器人手臂控制的實(shí)用性將對(duì)非侵入性神經(jīng)機(jī)器人的最終發(fā)展產(chǎn)生重大影響。

在最新發(fā)表的這篇論文中，賀斌和同事在開(kāi)發(fā)低侵入性或非侵入性的腦機(jī)接口技術(shù)方向取得突破性進(jìn)展。他們利用新穎的傳感和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，通過(guò)無(wú)創(chuàng)神經(jīng)成像和一種新的連續(xù)追蹤范式，克服了嘈雜的腦電圖信號(hào)，顯著改善基于腦電圖的神經(jīng)解碼，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)的機(jī)器人設(shè)備控制。

利用非侵入性腦機(jī)接口技術(shù)，研究人員首次在人類(lèi)受試者身上，成功實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人手臂連續(xù)跟蹤計(jì)算機(jī)屏幕上的光標(biāo)。在這之前，由人類(lèi)非侵入性控制的機(jī)械手臂會(huì)跟隨移動(dòng)的光標(biāo)做出不穩(wěn)定、不連續(xù)的動(dòng)作，而現(xiàn)在，手臂會(huì)沿著平滑、連續(xù)的路徑跟隨光標(biāo)。

研究團(tuán)隊(duì)還建立了一個(gè)新的框架，通過(guò)增加用戶參與和訓(xùn)練以及腦電信號(hào)源成像無(wú)創(chuàng)神經(jīng)數(shù)據(jù)的空間分辨率，解決和改進(jìn)腦機(jī)接口的“大腦”和“計(jì)算機(jī)”組件。研究結(jié)果表明，該團(tuán)隊(duì)解決這一問(wèn)題的獨(dú)特方法不僅將 BCI 學(xué)習(xí)提高近 60%，還將計(jì)算機(jī)光標(biāo)的連續(xù)跟蹤能力提高了 500% 以上。

這項(xiàng)技術(shù)還可以通過(guò)提供安全的、非侵入性的“意識(shí)控制”設(shè)備來(lái)幫助各種各樣的人，這些設(shè)備可以讓人們與環(huán)境互動(dòng)并控制他們的環(huán)境。到目前為止，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在 68 名身體健全的人類(lèi)受試者中進(jìn)行了測(cè)試(每個(gè)受試者最多進(jìn)行 10 次測(cè)試)，包括虛擬設(shè)備控制和用于持續(xù)追蹤的機(jī)械手控制。接下來(lái)，研究小組還計(jì)劃在患者身上進(jìn)行相關(guān)的臨床試驗(yàn)。