“脑机接口”技术：让“脑控”成为现实

脑科学与认知科学专家、国防科技大学胡德文教授为您讲述

◎它能让外部设备读懂大脑神经信号，让机器或物体按人脑意念思维执行操作。

◎它的发展将赋予未来武器装备“随心所动”的智能化本领。

科学来源于幻想，这句话有一定的道理。电影《阿凡达》的男主角是一位坐在轮椅上的残障人士，然而，他却可以用思维去控制一具人造的“外星人”躯体，上演了一场“心灵感应”的神奇。电影《环太平洋》中，“机器人”大战外星球怪兽的视觉盛宴，更是让钢铁之躯的机器人获得了人脑的智能。2014年世界杯开幕式上，来自巴西的一名残疾人利用脑控技术完成了首次开球，向全世界观众展示了脑科学发展的魅力。

这些神奇的情景，如今正逐步变成了现实，这主要得益于“脑机接口”技术的发展。自20世纪70年代“脑机接口”技术诞生以来，经过近半个世纪的发展，研究人员现在已经能够实时捕捉人脑中的复杂神经信号，并用它直接控制外部设备，使得人和机械可以作为一个生命的不同组成部分而共存，它让人脑思维控制外部物体不再是幻想，电影中的科幻情景正逐步走进人们的生活，并越来越受到世界各国科学家和政府的高度重视。

国际脑研究组织宣布，21世纪是“脑科学时代”。

外部设备：如何读懂大脑神经信号

人脑是一个高度复杂的信息处理系统，它由数十亿个神经元通过相互连接来进行信息交流，以整体协调的方式完成各种各样的认知任务。作为脑科学的一个分支，“脑机接口”技术十分复杂。

在人类进化过程中，科学家们发现，当一个人的大脑在进行思维活动、产生意识或受到外界刺激（如视觉、听觉等）时，伴随其神经系统运行的还有一系列电活动，从而产生脑电信号。“脑机接口”技术通过采集人脑皮层神经系统活动产生的脑电信号，经过放大、滤波等方法将其转化为可以被计算机识别的信号，从中辨别出人的真实意图。其核心技术包括人脑神经生物信号采集技术、人脑神经生物信号处理技术、人机高效协同技术。

与其他通信及控制系统一样，“脑机接口”系统主要由输入信号、输出信号、信号处理和转换等功能环节组成。输入信号是来自人脑头皮或脑表面记录的脑电信号，以及人脑内记录的神经元电活动。输出信号是由人脑思维转换形成的控制外部设备的具体操作想法。信号处理就是通过对源信号的处理分析、特征提取和功能分类，从而产生操作驱动指令，通过物理传输装置实现与外界的有效交流。

也就是说，人脑想执行某项操作，不需要通过肢体动作，可通过“脑机接口”技术，让外部设备读懂人脑的神经信号，并将其思维活动转换为指令信号，即可实现对外部物理设备的有效控制，从而实现根据人脑思维执行操作。

意念控制：从科幻逐步走向实现

在科学领域，越是复杂的东西越能够引起科学家的研究兴趣，“脑机接口”技术也是这样。自1973年美国科学家维达尔首次提出这一命题后，它便成为脑科学与认识科学领域一个极具潜力的前沿研究方向，科研人员经过几十年的研究和试验，已取得一系列突破性进展。

1988年，美国科学家法威尔和杜切尔用人脑控制实现了虚拟打字机操作。瑞士科学家加朗（F.Galán）领导的研究团队通过对人脑左/右手运动思维产生的神经信号，通过相应的智能控制系统，实现了轮椅按人脑意识控制行走，使残疾人不需要他人辅助，自主完成轮椅的运动控制。

2006年，日本筑波大学山海嘉之领导的团队研制出“混合辅助腿”。不仅能帮助残疾人以4千米/小时的速度行走、毫不费力地爬楼梯，而且可以托起40千克的重物。

2013年3月，英国艾塞克斯大学的研究人员开发出第一种用于控制飞船模拟器的“脑机接口”装置，美国航空航天局的科研人员为这个装置编写了一套计算机模拟程序。将它戴在头上后，通过人脑意念即可控制飞船的模拟飞行。

在我国，国防科技大学认知科学基础研究团队经过20多年的研究，现在已实现让机器人按照人脑的思维自由行走或执行某项操作。安装有“脑机接口”装置的汽车，可以不通过人的肢体操作，仅通过采集的人脑神经信号，按照人脑的思维意识启动、加减速或转弯，速度可达到5～10千米/小时。

不过，这些研究成果大多数仍处于试验阶段，目前，“脑机接口”技术仅在医疗康复、神经疾病诊断等方面获得了成功应用。

军事应用：美国一马当先着力研发

“脑机接口”技术作为一种新型的人机交互方式，它为武器装备操控提供了全新的智能化发展方向。实现人脑对武器装备的直接控制，赋予武器装备“随心所动”的智能化特征，正成为西方军事强国追求的目标。

21世纪初，美国就开始探讨“脑机接口”技术的军事应用，美国国防部投入巨资研究武器与人的相互作用机理，研究用人的意念控制的机器人士兵，以降低战争伤亡率。2004年，美国国防部高级研究计划局（DARPA）投入2400万美元资助美国杜克大学神经工程中心等6个实验室进行了“思维控制机器人”的研究工作，还联合商业研发机构和地方政府开展了脑听器、心灵及生理响应系统、无线电催眠发生器等多项“脑机接口”技术产品的研发工作。其“认知技术威胁预警”项目，已经获得了初步科研成果，可使士兵能够在2～3秒内识别视场范围内100个威胁目标。美国空军则利用“脑机接口”技术研究肌体协同控制技术，以提高战斗机飞行员的快速反应能力。

2013年，美国国防部在其预算报告中披露了一项名为“阿凡达”的研究项目，计划在未来实现能够通过意念进行远程操控“机器战士”，以代替士兵在战场上作战，遂行各种战斗任务。

未来，随着“脑机接口”技术的发展，利用人脑意识活动实现武器装备操控，赋予武器装备“随心所动”智能化操作，替代士兵执行特殊作战任务，将不再是神话。

前景广阔：人类加速迈入脑科学时代

研究脑科学的目的在于揭示人脑智能的本质，其研究与应用具有广阔的前景，世界各国纷纷投入人力和资金加紧研发。

20世纪90年代，美国率先提出“脑的十年计划”，欧盟成立“欧洲脑的十年”委员会，国际脑科学组织也采取一系列举措推动脑科学研究。1995年，日本政府宣布投入200亿美元实施“脑科学时代”计划，把“认识脑、保护脑、创造脑”作为脑研究三大目标。2013年4月2日，时任美国总统的奥巴马正式宣布开展人脑研究计划，该项研究的启动基金为1亿多美元。同年，欧盟计划投入10亿英镑启动为期10年的“欧洲人类大脑研究计划”，希望能模拟一个完整的人脑功能，加深对人脑的认识。目前，西方的著名大学几乎都设有脑科学研究机构，一些企业也纷纷加入研究行列。

在我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中，脑科学与认知科学被列入八大前沿科学问题之一，强调要加强“脑发育、可塑性与人类智力的关系”研究。2013年，作为“事关我国未来发展的重大科技项目”之一的“中国脑计划”正式启动。

21世纪被许多科学家称为“生命科学、脑科学的百年”，作为认知神经科学奠基人之一的葛詹尼加（Gazzaniga）称21世纪为“脑研究世纪”。随着脑科学和认知科学的兴起和发展，以人类为中心的认知和智能活动的研究已进入新的阶段。