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4月27日在中关村论坛上展示的“北脑二号”脑机接口。 新华社发 |
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一片晶圆上整齐排布有两列共计数十个电极。 |
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前端黄色部分为“北脑二号”柔性电极。 |
作为新质生产力的代表性领域之一，脑机接口是生命科学和信息技术深度交叉融合的前沿技术，也是未来产业发展的重要方向。
记者了解到，在近日举行的北京中关村论坛年会上，作为重大科技成果公布的“北脑二号”就已经在国际上首次实现猕猴对二维运动光标的灵巧脑控。而本次中关村脑机接口创新与发展应用论坛上发布的十大创新案例中，脑机接口在更多生活和生产中的应用，让这一技术从实验室走出、迈向产业有了更广阔的前景。
国内外的多个成功案例表明，脑机接口正在提速，那么，未来这项技术将怎样改变我们的生活？
【应用】
“意念操控”正在加速走出实验室
对于很多人来说，拿起杯子喝水只是日常中再普通不过的事，但是对于高位截瘫的老杨来说，完成这一动作是他盼了15年的“奇迹”。作为脑机接口的受试者，去年，首都医科大学宣武医院赵国光团队与清华大学洪波团队合作，将自主研发的半侵入式无线微创脑机接口植入到了老杨体内。老杨也成了该设备的第一例受试者。经过3个多月的康复训练，全身瘫痪15年的老杨实现了自主脑控喝水，手臂也变得有力，甚至可以感受到冷热。
在老杨之后，同样是高位截瘫的小白也于天坛医院接受了NEO的脑内植入。如今，这位受试者已经可以通过意念移动电脑屏幕上的光标：脑子里想着“握拳”，光标就往下；想着“抬肘”，光标就向上。靠这种控制，小白已经能够操作为其特制的轮椅前进、后退。
脑机接口，大脑与外界设备沟通交流的“信息高速公路”，是新一代人机交互与人机混合智能的前沿技术。“简言之，就是捕捉大脑电信号的微妙变化，解码大脑意图，实现‘意念’控制‘动作’，不动手也能隔空操控机器。”北京脑科学与类脑研究所所长罗敏敏说。
事实上，很多人对于脑机接口的最初印象来自于电影《黑客帝国》，而随后的《X战警》《头号玩家》等科幻作品让“大脑与机器交互”的想象更为具象化。也许有一天，只需要脑中念头一起，不论是做饭还是洗衣，甚至是工作上的某个环节，设备都能自己“动起来”。
这在几年前还是一个纯纯的“幻想”，而随着“不动手就可操控机器”在多国实验室陆续实现，甚至我国有团队实现脑电波控制机器打字的速度，可以超过普通人用触屏手机打字。这一“幻想”正在加速照进现实。
比起把普通人变成超人，如今更多的科学家更致力于利用脑机接口技术让失能人士“康复”。目前，高级脑功能的重建是脑机接口技术探索的开始，也是研究最集中的领域。在医疗康复领域，科学家们意图让这一技术帮助那些高位截瘫、闭锁综合征、肌萎缩侧索硬化等重度运动功能障碍者，重建运动、语言功能。
【揭秘】
“北脑二号”填补我国研究空白
植入到两位受试者脑中的NEO，其体积还有硬币大小，而在本届中关村论坛上展出的“北脑二号”，其植入脑中的核心部件则是一片牵着柔软细丝的小小薄膜——高通量柔性微丝电极。这个只比指甲盖略大、薄如蝉翼的金色半透明薄膜牵出的电极丝直径只有头发丝的十分之一到百分之一，丝上布满大量触点，需在显微镜下才能看清。
“北脑二号”填补了国内高性能侵入式脑机接口技术的空白，并在国际上首次实现猕猴对二维运动光标的灵巧脑控。
清华大学高小榕教授表示，植入式的脑机设备中的植入式柔性电极是脑机接口发展的一个需要解决的课题。脑组织是一个最软的组织，它跟芯片所用的硅在硬度上差了10的6次方。让这两个物质在一起工作，科学家在材料科学方面也一直都在努力。
北京芯智达神经技术有限公司业务发展总监李园介绍，“北脑二号”采用的柔性材料生物相容性高、无细胞毒性，能在电极丝上做出大量触点，通道数高，信号捕捉能力强。
根据该公司披露的数据，“北脑二号”在通道数、采样率、采样精度和噪声等电极的关键指标上与Neuralink等国际知名脑机公司披露的数据比肩，甚至多项优于对方。
罗敏敏表示，脑机接口的性能，核心在于脑电信号捕捉的清晰度、转化的精准度，前者靠电极，后者靠算法。算法相当于一个“翻译官”，把大脑通过脑电释放的信号精准解析出来，这就好像把只有0和1的计算机语言，翻译成汉字一样。“北脑二号”应用的算法是国内自研，能在大脑皮层神经活动与运动参数之间建立精确映射。
通过这样一套设备，绑住双手的猴子仅用“意念”控制机械臂，可以成功抓住“草莓”。“‘北脑二号’的有效通道数、长期稳定性，均达国际领先水平。不同于硬质电极，柔性微丝电极植入猕猴脑内一年后，仍能精确采集到脑电信号。”李园表示，“北脑二号”有线系统全链路已经跑通，无线全植入系统还在设计中，“我们计划2025年进入临床验证阶段。”
“脑机接口比拼的是安全、稳定、有效，这是一个系统性工程。”罗敏敏说，脑机接口链路长，涉及电极、芯片、算法、软件、材料等多环节，关键技术有待进一步突破。
罗敏敏表示，植入式脑机接口，就必须要考虑有效性、长期性、安全性、稳定性和便捷性等问题，更需要在尖端的硬件技术、生物相容性材料以及信号采集方式等，涉及的学科多，链路长，电极技术、芯片、算法、如何与AI交流等等都需要攻克技术难关。
中国科学院赵继宗院士表示，不论国内还是国外，侵入式脑机接口的研究还有很长的路要走。需要经过长期的论证，不是三年五年就能解决的。
【未来】
用“脑机接口”就像用手机
脑机接口分为植入式和非植入式。强脑科技合伙人兼高级副总裁何熙昱锦说：“相比之下，非植入式脑机接口的应用场景广泛得多，比如可穿戴式仿生手、智能义肢。”
2023年10月22日，佩戴智能仿生手的火炬手徐佳玲在杭州亚残运会开幕式上点燃主火炬。点燃圣火的智能仿生手就是典型的非植入式脑机接口。不同于国外价格昂贵的“按一下按钮、换一个姿势”的“夹子手”，这只“脑控”的仿生手可实现5根手指的独立运动，以及手指间的灵活精准操作，能使残障人士完成点击鼠标、敲打键盘等精细化动作，实现“手随心动”。中国智造的智能仿生手在与国际对标的竞争中，成为了性能更优、价格更低的选择，仅为国外同等性能、同类产品价格的五分之一。
对于脑机接口的发展，从国家到地方都在持续扶持。国家各部委启动了很多政策，以扶持脑机接口的研究和产业，在行业准入和应用场景方面也给开了很多“绿灯”。其中，脑机接口在今年被工信部等七部门列为《关于推动未来产业创新发展的实施意见》的10大标志性产品之一。
面向智能家居、智能病房、搜索救援等智慧生活场景，研制推广用于人机交互、智能外设控制的多模态智能可穿戴设备。推动脑机接口技术与大模型技术、具身智能技术、智能传感技术进行交叉融合创新，提高人、机、物多元交互的灵活性、泛化性和安全性。
“以前我们遇到一个疑难杂症，或者要设计一个非常复杂的系统，通过脑机接口，通过人工智能，通过智能的信息处理，就能很快完成或者提供方便。脑机接口今后在游戏、在交通，提升生活幸福感和需要等方面的案例会越来越多。”中国工程院院士顾晓松更是认同，未来脑机接口使用场景很多，“就像现在人们使用手机一样。”
综合新华社、《北京青年报》、《新快报》报道