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天津大学创新成果纪实 | 读懂"脑语者":解密天大"脑机接口"技术
2018-12-29 中国教育和科研计算机网 袁玉凝

  背景介绍:天津大学针对人机交互面临的神经系统层面交互信息复杂共性挑战,发明了一套面向高性能人机交互的脑-机-体复合神经感知与反馈的系统解决方案,研究成果在医学、航天及相关领域的高性能人机交互产品中得到规模应用。

  大脑是宇宙中最复杂的系统之一,不但有极为复杂的神经网络结构,还有千变万化的动态信息。每说一句话,大脑里可能有上亿个神经细胞在不断发放电脉冲。如果能将大脑的信号接收下来、解读出来,甚至复制出来,进而通过神经信号来控制电子设备,人的意识就可以不再受限于脆弱的肉体。那我们应当怎样读懂“脑语”? 怎样打通大脑与机器之间的联结呢?

  在电影《阿凡达》中,人类的思维活动可以转移给“替身”(Avatar),除了控制替身的活动之外,还和替身一起经历外星球的体验,而这个操作来源于电影里类似大脑扫描仪的脑机接口系统。 脑机接口能够实时监测生物体中枢神经系统活动并将其用于神经系统及其与内、外部环境信息的交互,进而实现辅助、改善、增强、重建或者替代中枢神经系统的功能。脑机接口正在人机交互领域发起一场新的革命,例如,大脑思维活动提供了可检测的反映心理或行为特征的神经电生理信号,可经头皮电极、皮层表面电极或皮层内部植入式等多种传感器拾取;通过解码这些特征脑电信号,脑机接口获得大脑思维意图信息,再由工程技术手段将其转换成可用于控制外部设备工作的指令信号,从而实现无需常规外周神经与肌肉系统参与、按大脑思维意图照办的对外信息交流与互动。

  21世纪是脑科学的时代,世界主要科技强国均启动了目标宏大的“脑计划”,脑机接口一直被列为美国最优先支持发展的颠覆性创新技术之一。2018年11月19日,美国商务部出台了一份针对最新的14大类关键技术和相关产品的出口管制框架,在这份名单中脑机接口技术及相关产品赫然在列。天津大学神经工程团队是国内最先从事脑机接口领域研究的单位之一,始终致力于包括神经传感与成像、神经接口与反馈、神经刺激与调控、神经仿生与智能等的脑机交互基础机理与前沿技术,及其面向物理医学与康复工程、特种医学与人机工程等重大领域的工程应用研究。

  天津大学神经工程团队针对人机交互面临的神经系统层面交互信息复杂共性挑战,历时十余年,发明了一套面向高性能人机交互的脑-机-体复合神经感知与反馈的系统解决方案。该技术成果依托国家重点研发计划、863计划、科技支撑计划和自然科学基金等项目支持,面向脑-机-体协同交互深入开展了复杂神经信息检测识别与外部机器设备反馈调控的系统研究,形成了复合神经感知与反馈系列化解决方案和应用系统,重点发明了脑-机交互的神经信息学复合编解码技术、肌-机交互的神经肌骨动力学复合调控技术以及体-机交互的人工神经系统视触觉复合反馈技术,尤其在脑信号深度解码、脑意图精细辨识、脑-机快速通讯等方向形成了特色优势,先后发展了混合P300-SSVEP编码、极微弱脑电特征解码、脑-机通讯动态停止、训练型脑-机-体交互等一批自主可控核心技术,创造了脑-机接口领域多项性能指标的国际纪录,包括目前最高识别精度(0.5μV)、最大控制指令集(108指令)和最快传输速度(模拟在线平均信息传输率353bits/min)。

  天大神经工程团队项目成果在医学、航天及相关领域的高性能人机交互产品中得到规模应用。

  在医学领域,陆续设计出新型卒中人工神经康复机器人系统“神工一号”(2014年)、“神工二号”(2015年)并通过国家食品药品监督管理局(CFDA)检测,在多地医院临床测试成功,受益患者超过3000余例,被“观察者”评为“2014年度中国可能改变未来的十大科技成果之一”,有力推动了新兴的脑-机交互技术在临床康复工程领域的发展与应用。

  在航天领域,与中国航天员中心合作,为2016年我国“天宫二号”和“神舟十一号”载人飞行任务主持研制了空间脑-机交互技术试验系统,国际上首次在轨进行脑-机交互技术空间适应性测试。该系统通过大量地基实验深入揭示失重、噪声、情绪等对脑电影响,实现了高识别度、高稳定性、适于空间环境的脑-机接口自适应分类技术;建立了针对航天特征的实验策略和训练方法,大幅提高系统识别正确率,为有效开展天地差异对比建立稳定基线。

  人机融合将是未来航天医学与人因工程发展的必然趋势,脑机接口为航天员等特殊人群提供肢体约束环境下的“第三只手”和神经功能层面融合的自适应自动化人机协作,帮助他们完成更多更复杂的工作任务。该系统的建立和成功测试将为未来深入开展先进交互技术在轨适应性研究和技术应用起到重要推动作用,为我国载人航天工程的新一代医学与人因保障系统提供了关键科学依据与技术支撑。

  该项目成果还推广到智能家居等相关领域,成功研制出国内首款人感仿生神经系统模块并应用于海尔SmartFlow中央空调等系列产品。

  天津大学该项目成果共获授权国家发明专利72项、其他知识产权2项,形成了完整的自主知识产权集群,获首届国际电生理Neuroscan Award、第二届中国高校科技成果交易会特别金奖,第十九届中国专利奖、第二届黄家驷生物医学工程奖、2017年中国康复医学会科技进步一等奖,2016年天津市技术发明一等奖、天津市专利金奖,2015年天津市科技进步一等奖等多项奖励。

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