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(gè)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(jiǎn)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(dòng)彈。
其實(shí)，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(shí)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(jì)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(huì)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?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說。
簡(jiǎn)單來說，就是可以靠直接提取大腦神經(jīng)信號(hào)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(gè)神經(jīng)元，通過植入電極，可以精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)到單個(gè)神經(jīng)元的放電活動(dòng)。這種方式的缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)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(hào)。這種方式可以在頭皮上監(jiān)測(cè)到群體神經(jīng)元的放電活動(dòng)，缺點(diǎn)是不夠精準(zhǔn)。
其實(shí)早在半個(gè)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(cè)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(duì)研發(fā)腦機(jī)接口技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃用光學(xué)成像設(shè)備每秒掃描大腦100次，從而實(shí)現(xiàn)讓用戶直接用意識(shí)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(shí)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?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)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(dòng)，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(huì)出現(xiàn)某個(gè)區(qū)域的神經(jīng)元異常放電，通過腦機(jī)接口技術(shù)檢測(cè)到神經(jīng)元異常放電后，可以對(duì)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(duì)患者的大腦運(yùn)動(dòng)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(gè)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(chǎng)景有哪些？可以想想我們平時(shí)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)更好、更快地交互，人與人之間、人與計(jì)算機(jī)之間的交互效率將實(shí)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(yùn)動(dòng)將這些信息以語音的形式表達(dá)出來。這樣通過語音對(duì)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(shí)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(jì)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(shí)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(huì)逐漸將電極包裹起來，電極監(jiān)測(cè)到的神經(jīng)元活動(dòng)會(huì)越來越少。” 王毅軍說，幾年甚至幾個(gè)月后，電極就完全監(jiān)測(cè)不到神經(jīng)元活動(dòng)，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(huì)損傷大腦神經(jīng)元，也會(huì)有感染的風(fēng)險(xiǎn)。
頭戴式的腦電帽雖然不會(huì)損傷大腦，但每次使用時(shí)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(xiàng)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(hào)的采集涉及到材料學(xué)，因?yàn)橹踩氪竽X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(shí)還需要精密電子電路技術(shù)，因?yàn)槟X機(jī)接口需要采集神經(jīng)元發(fā)出的信號(hào)，這些信號(hào)極其微弱。假如電路中的噪音稍大，就會(huì)影響腦電信號(hào)的采集。
人工智能也是腦機(jī)接口需要利用的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)。因?yàn)樵诓杉罅磕X電信號(hào)之后，需要訓(xùn)練人工智能系統(tǒng)，使其學(xué)會(huì)分析處理這些復(fù)雜的信號(hào)。
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(shí)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?yàn)橹挥兄来竽X是怎么回事，了解大腦是如何運(yùn)作的，才能更好地解讀大腦生成的信息。”黃肖山說，目前對(duì)于諸如聽覺和視覺等只涉及大腦局部區(qū)域的腦電信號(hào)，學(xué)界已了解得比較深入。但對(duì)于大腦高級(jí)功能產(chǎn)生的腦電信號(hào)，比如回憶、復(fù)雜情感等，學(xué)界目前對(duì)其了解程度還很有限。(記者 劉園園)