天津日报第10版以《“意念控制”生活,还远吗》为题对我校进行了报道

发布时间:2021-03-31文章来源:浏览次数:10

2021331日,天津日报第10版以《意念控制生活,还远吗》为题对我校进行了报道。现将全文转发如下,以飨读者。

 



意念控制生活,还远吗

 

日前,在有着“机器人奥林匹克”之称的“2020世界机器人大赛—BCI脑控机器人大赛”中,腾讯天衍实验室和天津大学高忠科教授团队联合组成了战队,入围了BCI(脑机接口)脑控机器人大赛“运动想象范式”赛题决赛,最终成功斩获技术赛“颞叶脑机组”一等奖以及技术锦标赛“颞叶脑机有序训练集一等奖”两项冠军。

作为世界机器人大赛中一项高精尖科研类赛事,BCI脑控机器人大赛集科技性、创新性、实用性于一体,诞生了诸多脑机接口领域突破性技术成果。由天津大学和腾讯天衍实验室组成的战队,从运动想象路径入手,在没有任何肢体接触的情况下,利用意念想象形成自发性脑电,影响机器人的肢体运动。

什么是运动想象?科研人员又是如何从众多脑电信号中获取有效信息的呢?利用意念想象就能操控机器人,那距离我们在现实生活中“想一想”就能控制身外设备,还有多远?近日,记者对此进行了走访。

新知

“意念控制”

源于脑电信号

“大脑的一切活动都伴随着神经元的放电现象,比如当你学习一项新技能的时候,特定区域的神经元就开始释放电信号,经过多次练习的巩固,就会形成一条稳定的神经通路,你也就掌握了这项技能。人工智能的高级形式是人机混合智能,其中关键在于如何实现计算机对人的智能感知。脑机接口就提供这样一种途径。”天津大学电气自动化与信息工程学院教授、天大人工智能与网络科学研究所所长高忠科向记者解释说,脑机接口指人或动物的大脑与外部设备间建立起直接通路,通过脑电波的反馈,让计算机获得信息,采集人们大脑中生物的特征值,并把信息翻译成机器语言,再反馈到机体,完成脑和外部设备间的信息交换,“简而言之,就是通过读取脑电波让计算机知道你想干什么,并且帮你完成。”

“尽管我们尚未完全了解大脑,但将收集到的脑电信号分析处理后,与人的行为、精神状态等作关联和对应,可帮我们解码大脑的‘语言’。”高忠科说,脑机接口包括两个重要部分──对脑电信号的高精度采集和准确解码。识别出大脑的运动意图、解码出脑电的指令,就可以加以应用,控制外部装置、康复器械、机器人等。

脑机接口按照接入方式,分为侵入式和非侵入式。侵入式脑机接口是将脑电波检测电极植入大脑,这样采集到的脑信号强且稳定,但会对被植入的生命体造成创伤。特斯拉创始人马斯克的脑机接口公司展示的技术就属于这种。非侵入式脑机接口则可在不改变人体大脑结构的情况下通过EEG脑电图、MRI核磁共振、红外线等方式去采集大脑中非常细微的脑电变化和信号变化,然后对视觉皮层的信号进行模式识别和图像拼凑,利用大量数据算法去推测大脑中的信息,这种方式相对更安全,接受程度也更好。“医院里的脑电图展示的就是通过非侵入方式获取的脑电信息。”高忠科举例说。

应用

瘫痪青年

“踢入”世界杯

2014年巴西世界杯开幕式上,瘫痪的青年利亚诺·平托穿了一件如钢铁侠机械战甲般庞大的外骨骼,通过脑机接口踢出了当年世界杯的第一球。“他就是用非侵入式脑机控制战甲的。戴上电极帽采集大脑信号后,他进行了运动想象的训练,也就是想象自己的腿是向前走还是向后退。”高忠科告诉记者,运动想象信号是一种自发性的脑电信号,在我们想象运动的时候,电极通过我们的脑皮层可以记录到神经电位的放电。我们想象运动时,和真实活动时的脑皮层的活跃状态是一样的。

高忠科作为创始人和首席科学家成立了钧晟(天津)科技发展有限公司,依托多年科研成果,公司致力于脑机接口和人工智能相关技术领域的产品开发和应用。目前,该公司正与腾讯天衍实验室联合攻关,研发一套基于运动想象信号的脑机接口技术、帮助脑卒中患者的康复系统。

“医疗领域是脑机接口的主要用武之地之一。这套‘脑御’智能脑控康复训练系统,基于世界机器人大赛夺冠所采用的先进智能算法,采集运动想象微弱脑电信号,通过芯片进行深度学习,对脑电信号进行分析,目的是提取出人大脑的运动意图,识别出大脑意图后,再驱动手上贴的辅助外部装置──电刺激模块实现患者手部主动运动。通过这样的训练,可以让脑卒中患者恢复肢体运动能力。”高忠科介绍说,其实验室自主研发的脑机接口采集设备,能提供非常高精度的便携式的信号采集,脑卒中患者训练时可通过主动想象,激活运动神经,重建其受损的神经通路,以实现运动功能的康复。

为让科研成果尽早应用于临床医疗中脑卒中患者的康复训练,科研人员与天津市环湖医院神经康复科合作研究“新一代智能脑控康复设备及其在脑卒中治疗中的应用”项目。

据了解,脑机接口应用于神经科学,主要分为三类:一是为存在严重功能障碍的患者建立与外界的交流通道,即通过使用者指令性脑电信号控制外部设备,辅助患者进行肢体运动,如外骨骼机器人、机械臂、康复轮椅等;二是通过外部干预修复患者运动神经通路,恢复运动功能;三是通过对脑电信号的分类与识别,实现对部分神经系统疾病和心理疾病的监测与康复治疗,如通过聊天机器人治疗重度抑郁症、阿尔茨海默病,通过监测脑电信号测定外科手术的麻醉深度、睡眠障碍性疾病等。

“这种基于脑机接口的智能脑控康复技术,正在尝试为瘫痪、中风的患者提供更多治疗机会。持续训练带来的不只是用机器替代身体,而是原本的身体得到治疗和恢复。”高忠科团队成员、钧晟(天津)科技发展有限公司首席运营官陈云刚介绍说,他们研发的“脑御”智能脑控康复设备,既面向医院神经内科、康复科,也面向个人用户,康复训练内容可按消费者要求定制,而且因核心技术为完全自主研发的,成本可控,仅脑电采集分析硬件系统这一项,就可以使产品价格缩减到国外同类产品的二十分之一。

据悉,这套便携式脑控康复训练设备今年将在环湖医院进入临床实验阶段,相关升级产品──康复训练手套也即将成型,可满足患者更多需求,也有助缓解医务人员和医疗资源不足的状况。

此外,钧晟科技正在加紧研发下一代脑控康复设备,结构更简单,价格也将更亲民。“比如目前头上佩戴的这些电极都将被收进一顶棒球帽中,采集后的信号通过无线传输到云端,算法识别和分析意图后发出指令,控制脑卒中患者手腕上的装置,更便捷、有效地进行恢复运动。”陈云刚说,未来还将有更加舒适的智能穿戴结合先进的人工智能算法,用于脑卒中康复、睡眠质量监测、情绪识别与调节、疲劳驾驶监测、儿童学习注意力提升等。

发展

实现“心意相通”尚有瓶颈

如今,脑机接口的出现,已经可以为非健全的人们带来曙光,或许不久的将来,普通人不用长期训练就能获得技能,人们可以用意念来打电子游戏、弹钢琴、绘画,甚至不用语言和文字就可以交流,真正实现“心意相通”。但要想让脑电波在消费级产品中落地应用、使“意念控制”进入千家万户,现阶段脑机接口技术还存在一些瓶颈问题。

“脑机接口研究,很大的一个瓶颈在于个体差异。我觉得这是脑机接口真正走向产业化,必须要面临的一个问题。”高忠科解释说,由于脑电信号相对微弱,而且不同受试者脑电信号差异较大,甚至同一受试者在不同时间段采集的脑电信号都会存在较大差异,这大大影响了脑机接口技术对脑电信号的识别准确率。要想推动脑机接口技术运动想象范式在康复、医疗等实际场景中的应用,其分辨准确率是个难题。另外,脑机接口技术在应用展示时,过程不会太久,通常最多十来分钟,对脑电信号的识别准确率也相对容易提高。但在系统真正应用时,使用时间一长,比如超过一小时后,大脑会出现疲劳,疲劳会令计算机对脑电信号的识别准确率大幅下降。如何在疲劳的情况下尽可能保持高准确率,这也是个挑战。高忠科团队提出多种深度学习算法,对上述的脑机接口产业化应用难题进行了深入研究,并取得多项进展。

还有,当脑机交互达到一定程度后,难免会引发安全性和伦理上的难题。不过对这点,高忠科表示目前不用太担心:“我们现在只是对大脑放出的电信号进行采集,并通过算法分析这些电信号,从而识别出大脑发出的运动指令。不会出现向大脑里反向注入指令信号这样的问题,会保证使用者的安全。”

前景

脑控技术

“用武之地”广阔

科技持续向前,经过国内外科学家几十年的研究发展,如今的脑机接口已成为一项多学科交叉技术,除了用于治疗、康复,还可以与我们每个人的生活息息相关,应用领域广泛、未来前景令人期待。除了天津大学,我市多所高校在脑科学和脑机接口技术方面也有不同角度的探索──

天师大

运用脑成像技术促进脑智发育

天津师范大学积极对接“中国脑计划”战略,建成了国内一流的脑功能成像中心,占地面积约1000平方米,配有国际先进脑成像设备,为揭示个体脑智发育和心理活动的脑基础的研究提供支撑。

据天津师范大学副校长、心理学部部长、脑功能成像中心主任、中国脑电联盟副理事长白学军教授介绍,脑功能成像中心将研究方向聚焦为“脑智发育与提升”,目前围绕“学习与脑的可塑性”“高效率学习的心理与脑机制”“认知老化的脑机制”等重大科学问题开展了相关研究。研究结果为帮助教育工作者科学理解儿童青少年学习的脑机制和认知老化规律、提升学习效率和脑智发育水平、防治学习困难和减缓认知老化等提供了科学依据。

此外,该中心研究人员建立了高水平田径运动员的大数据库,助力我国体育事业发展。针对优秀运动员脑机制研究方面已取得突出成果,研究发现,不同类型运动技能训练对大脑结构和功能有特异性的塑造作用,为强身健脑理念的创立提供科学依据。

白学军表示,“十四五”期间要努力将脑功能成像中心建设成一流的心理与行为研究的多模态认知神经影像平台,为“中国脑计划”实施提供强有力的技术支撑。同时,将积极服务国家重大需求,协同承担国家重大科研任务,借助脑科学研究成果促进脑智提升,更好地促进儿童青少年的学习与发展。

天工大

戴上AR眼镜“意念”操控机械臂

天津工业大学生命科学学院与中国医学科学院生物医学工程研究所合作开发了“基于增强现实(AR)的脑控机械臂系统”,该系统将增强现实与脑机接口技术结合,摆脱了传统脑机接口系统需要显示器界面操作的束缚,将视觉刺激集成至AR眼镜上,实现了通过“意念”对机械臂的操控。

据天工大生命科学学院副教授王瑶介绍,因计算机显示器能呈现复杂的视觉刺激且实现方式相对灵活,近年来以计算机显示器为视觉刺激器的脑机接口研究备受关注。但由于显示器的硬件限制,很难在便携性和多命令呈现上作出最优选择。为了推动脑机接口设备便携化,其团队引入了增强现实技术作为视觉刺激器,该系统更加便携,且用户无需在视觉刺激与反馈之间来回切换。

“区别于运动想象,我们研究采用的脑机接口的运动范式,是基于稳态视觉诱发电位刺激。”参与该项研究的硕士研究生李坤告诉记者,戴上AR眼镜后,可见屏幕上有多个指令,每个指令按照不同的固定频率闪烁,当注视某一个指令时,大脑中就会产生相应的脑电信号,经过深度学习算法的分析,最终控制机器人的行动轨迹。

李坤举例说,如想完成“让机械臂拿水杯”这个动作,用户需盯着“拿水杯”这个闪烁的指令看,脑电信号被计算机采集到后,经过算法分析出用户想要拿水杯,于是发送命令给机械臂,通过计算机视觉完成物体的识别和定位后,由程序控制和规划机械臂的运动轨迹,不断调节各轴的角度和坐标实现点到点的移动,最终完成拿水杯这个动作。“也就是说,用户只需要发出需求的指令,其他任务由脑控机械臂系统的外部设备完成,这对严重瘫痪、丧失运动控制的人群来说很有意义,降低了使用者的压力,同时能大大减少用户的疲惫程度。”

中国医学科学院生物医学工程研究所副研究员陈小刚说,基于增强现实的脑控机械臂系统具有体积较小、方便携带、对使用环境的限制性小、信息传输速率高等特点,可更简便、快速实现对机械臂的控制,帮助使用者与外界进行交流,提高该人群的生活质量,“事实上,该技术不仅可以帮助行动不便的老年人和肢体残障人士解决生活上的自我照顾等问题,还能控制机器人帮助人们去完成目前还无法做到的一些高危工作,为其生命安全提供保障。”

天津理工大学

用脑机接口技术进行神经调控治疗

天津理工大学的脑机接口技术的研究,主要研究方向包括脑控机器人、脑电采集电极制备、神经反馈调控治疗等。

据天津理工大学电气电子工程学院副教授陈超介绍,脑机接口技术在信息科学领域的应用包括智能人机交互、人机共融机器人等,在医学领域的应用则可为脑卒中后运动康复治疗、难治性神经精神类疾病的神经调控治疗等提供帮助。其中,神经反馈调控治疗与天津医科大学等高校及医疗机构合作开展,对阿尔茨海默病(俗称“老年痴呆”)、焦虑、抑郁、多动症等神经精神类疾病,构建神经反馈治疗系统,让患者能主动参与、自主调节神经精神状态,提高治疗效果。

该校电气电子工程学院硕士研究生于学聪以他参与研究的神经反馈治疗系统缓解焦虑为例,向记者解释说,由于焦虑情绪与神经系统的刺激有关,他们设计了基于脑电图信号的Alpha频段振荡的神经反馈系统,即结合神经反馈的基本原理,基于EEG的脑机接口设备构建了一个利用脑电反馈缓解焦虑情绪的实验平台。通过该平台,在帮助受试者进行正念放松训练的过程中,团队收集其脑电图数据,将受试者放松过程中的精神状态进行量化,并把量化结果通过图形界面实时反馈给受试者,这样,受试者就可以根据反馈界面,实时调整自己的脑部活动和精神状态,逐渐进行放松,缓解自身的焦虑情绪。“通过对神经生理信号分析,能看出我们的实验可以对受试者的焦虑症状起到缓解的作用。这可以为从事设计和维护脑机接口的神经科学家和临床医生提供一种新的工具。”

 


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