用意念打字、让阿凡达成真,脑机接口到底有多少花样“玩”法?

综合科技
智东西
韦世玮
2019-08-08 · 15:55
[ 亿欧导读 ] 马斯克的Neuralink与Facebook在脑机接口领域大火的背后,还有更多研究人员把脑机接口技术“玩”出了花样。
脑机接口,脑机接口,芯片,AR,机械臂,人工智能 图片来自“东方IC”

早在2009年上映的阿凡达中,主角用意念控制了阿凡达,这无疑是脑机接口领域中,用意念控制现实的一次最佳呈现。就在不久前的7月17日凌晨,“狂人”马斯克宣布,其旗下脑机接口公司Neuralink获得了突破性新进展。(明年开始人体实验!马斯克脑机接口重大突破,已能让猴子用脑控制电脑)马斯克说,Neuralink已经用机器人对动物进行了至少19次手术,并且成功地放置了所谓的“线(threads)”的电路,使得动物能够用大脑控制机器,成功率大约有87%。

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▲Neurink展示老鼠连接到头部USB-C端口的电线将其想法传送到附近的计算机

随后,在美国时间7月30日,Facebook也紧接着公布了其脑机接口(BCI)项目的最新研究成果——研究人员在无需将芯片植入人类的大脑皮层的情况下,在AR眼镜上构建出了一个大脑-计算机系统,能够迅速地读取人类在大脑中构思的单词和短语。

实验中,研究人员在几名正接受癫痫治疗的志愿者大脑表面放置一片电极,该电极采用了一种叫做脑皮层电图 (ECoG)的技术,能够直接从大脑暴露的表面记录大脑皮层的信号。

在志愿者回答测试问题的过程中,研究人员通过信号跟踪大脑负责语言和说话的区域,并根据人类发声器官的运动学将这些信息解码成句子。研究人员表明,该系统解码生成和感知这两类语言的准确率分别高达61%和76%。

然而,这个结果还未达到Facebook最初计划的目标,该公司希望系统的实时解码速度为每分钟100个单词,1000个单词的词汇量以及低于17%的单词错误率。

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▲Facebook脑机接口部分研究数据

但无论如何,这一进展对那些因受伤或神经退行性疾病(例如阿尔茨海默病和慢性创伤性脑病)而无法正常沟通的患者来说,具有重要的意义。

人们从上个世纪90年代起,就一直在研究如何用意念远程操控物体。近年来,随着人工智能等各项技术的创新和发展,各类基于脑机接口的研究项目也得到了一些具有突破性的进展。针对这些脑机接口领域的新进展,美国媒体VentureBeat总结了该领域中具有代表性的4家公司和1项研究项目。

它们的脑机接口技术有什么特点?现阶段的研究进展如何?它们与Facebook的脑机接口新技术相比又有何不同?

Neuralink:已让动物用大脑控制机器

Neuralink成立于2017年,主要研发将人工智能植入人类大脑皮层的脑机接口技术,以提高人类的智能化水平。

目前,Neuralink已获得1.58亿美元的融资,其中至少有1亿美元来自马斯克。今年7月,马斯克和他的Neuralink又大火了一把,其最新的脑机接口新技术备受人们关注和热议。据马斯克介绍,Neuralink研发的新技术能够利用机器人对动物大脑进行手术,将柔性“线(threads)”组成的电路植入到动物的大脑中,并且这些“线”的直径只有4至6微米。此外,Neuralink还设计了一个“N1传感器”。

它是一个直径约8毫米、高4毫米的圆柱体,集成了Neuralink专门定制的芯片,能够从多达1536个通道中读取大脑信号。同时,它每秒可以从高达1024个电极上采集20000个分辨率为10位字节的样本,相当于每个通道大约读取200Mbps的神经数据。

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▲Neuralink的N1传感器

目前,Neuralink已经在老鼠和猴子身上进行了测试,让它们可以通过大脑控制机器,成功率达到87%。马斯克还透露,他们最早将在明年开始对人类进行临床实验。虽然Neuralink的脑机接口在读取神经元信息的技术和工艺上是最先进的,但神经网络似乎在可解释性方面的进展不大。马斯克表示,他的目标之一是让四肢瘫痪的患者能够实现以每分钟40个单词的速度打字。

Paradromics和Kernel:开发阶段,尚未进行人体实验

位于美国加利福尼亚的硅谷创企Paradromics成立于2015年,主要开发脑机接口技术,能让患有如失明、耳聋和瘫痪的患者使用该技术与外界重新获得沟通和联系。

2017年,Paradromics获得了1800万美金的研究经费,由来自美国国防部下属的研究机构DARPA提供。去年,该公司再次筹集了700万美元的种子融资。据了解,该公司研发了一个名为“神经输入输出总线(NIOB)”的脑机接口研究终端。

NIOB内置了50000个模块化微丝(modular microwires),可与多达100万个神经元进行连接和刺激,由此记录高达30Gbps的神经活动。实际上,NIOB还在临床前开发阶段,预计将在2021年或2022年进行人体实验。

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▲Paradromics的NIOB

与Paradromics相似,成立于2016年的Kernel主要研发神经义肢技术,并在人脑中植入相关设备,进一步解锁人类大脑智能。

2016年,移动支付公司Braintree的前创始人兼CEO Bryan Johnson向Kernel投资了1亿美元,并致力于开发一种外科植入式神经芯片。Kernel表示,在未来,他们的技术将使用AI来模拟、修复和提高人类的认知。此外,该公司最近也开始研究非侵入式脑机接口技术。

Ctrl-labs:通过接触皮肤实现远程控制

美国创企Ctrl-labs成立于2017年,是一家脑机接口控制界面的服务商,主要为AR/VR和机器人研发神经界面。

2018年,Ctrl-labs获得由Alphabet和亚马逊等公司投资的2800万美元的A轮融资。今年2月,该公司再次获得了第二笔2800万美元的融资,由Alphabet领投。

和其他研发脑机接口技术的公司不同的是,Ctrl-labs计划通过一种入侵性较小的方法,监控用户手腕上的各种神经元信号,并将这些信号转换为数字信号。

Ctrl-labs研发了一个名叫Ctrl-kit的开发平台,它配套了一个可穿戴肌电图(electromyogram,简称EMG)设备,通过轻量级皮肤传感器测量并提取清晰的神经元信号,特别是由大脑到手部肌肉的神经脉冲引起的电位变化,将人们的意念转换为行动,并且还能通过蓝牙将信息无线传输到电脑和智能手机。

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▲Ctrl-labs的Ctrl-kit

此外,它能通过16个电极来检测被运动单元的肌肉纤维放大的运动神经元信号,并进行测量,随后用AI算法来区分每个神经的单个脉冲。

值得注意的是,与Ctrl-kit配套的肌电图设备主要受软件机器学习模型的准确性,以及接触皮肤的紧密程度的限制。

在软件方面,其软件开发包内包含了JavaScript、TypeScript工具链和预先构建演示素材,能够让用户更好地了解硬件的功能。

此前,Ctrl-labs展示了一个虚拟键盘,它允许用户用手指在桌面上敲击输入信息,并将每只手指和关节的位置和运动映射到电脑并输出信息。

BrainGate:经过两次临床试验可控制机械臂

BrainGate是美国生物技术公司Cyberkinetics与布朗大学神经科学系的研究人员合作开发的一个脑植入系统,主要是为了帮助那些失去四肢或其他身体功能失控的患者。

据悉,BrainGate整套系统由植入大脑的传感器和外部解码器设备组成。其中,传感器采用了微电极阵列的形式,将100个如发丝般细薄的电极组合在一起,可以感知大脑神经元的电磁活动和特征;外部解码器设备主要负责连接患者的假肢或其他外部物体。

该系统能够感应大脑特定区域的神经元信号,如控制手臂运动的大脑区域。传感器将这些信号转换成带点信号,并发送到外部设备的软件中进行解码。解码器则连接到外部设备,并可以通过大脑信号来控制如机械臂、计算机光标和轮椅等外部设备。

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▲BrainGate的临床测试

在2004年至2006年,BrainGate进行了第一次临床试验,研究成果表明,那些四肢瘫痪的患者只需通过思考就可以打开电子邮件,还可以操作电视等设备、控制计算机光标。BrainGate的第二次临床试验始于2009年,名为BrainGate2。

2012年,BrainGate的研究人员在《自然》杂志上发表的研究成果显示,两名因几年前脑中风而瘫痪患者,通过BrainGate已经能实现控制机器人手臂进行伸出和抓取。

结语:脑机接口领域尚有更大发展空间

一直以来,脑机接口技术的研究是十分复杂和具有挑战的,该技术不仅需要准确地读取神经活动信号,并辨别哪组神经元在执行哪项任务,而且有时因硬件的限制,脑机接口在接触大脑的多个区域时会产生干扰性瘢痕组织。

虽然这一困扰随着技术的发展而得到一定程度的缓解,但研究人员们对人类的某些神经过程依然缺乏了解。例如在大脑区域的前额叶和海马体,它们是很少活动且孤立的,并且它们的活动信号也很难确定。

同时,研究人员们在现阶段也尚未破解大脑编码,一些来自视觉中心的脉冲不像人们说话时产生的脉冲,有时很难识别信号的起始点。

然而,这些挑战都没有组织Facebook、Neuralink、Paradromics、Kernel和Ctrl-labs等公司在脑机接口领域不断进行研发。据联合市场研究公司(Allied Market Research)的数据显示,2020年,脑机接口的市场规模将达到14.6亿美元。

如此看来,脑机接口领域还有很大的发展和成熟空间,相信随着研究人员们的不断深入研发,未来的脑机接口技术将不仅仅给瘫痪患者或其他运动障碍的患者们带来便利,还能将这项技术普及到普通人的日常生活中,带来变革性的生活体验。


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