用思維控制機器人

石菲

你能想象嗎？現在可以通過識別大腦頭皮層電流變化和血液的流動信息，實現由人的大腦意念來控制機器人。未來，思維控制機器人可以在醫(yī)療、智能家電等領域發(fā)揮作用。

Dean Aslam博士是微觀和納米技術實驗室（MANTL）主任和密歇根州立大學電氣和計算機工程學教授，IEEE高級會員。目前正在從事思維控制機器人的研究工作，《中國信息化》獨家采訪了Dean Aslam博士，為您揭秘思維控制機器人的前世今生。

讓機器人成為“代理士兵”

Dean Aslam博士介紹說，當我們想到某個人或某件事情的時候，我們的思維過程將通過觸發(fā)大腦前額葉的神經元啟動。為使大腦得到更多細節(jié)，需要觸發(fā)大腦不同部位的神經元。因為部分神經元活動會產生微量的電流，任何思維過程都會產生一種稱為腦電波的電磁波在整個大腦環(huán)游。

當這些電磁波“流出”大腦，它們將被腦電圖描記傳感器（EEG）檢測到。檢測到的信號頻率反映了我們的大腦活動狀態(tài)，比如專注和放松等。如果在裝置在頭部的EEG系統(tǒng)和裝置在機器人上面的控制電路之間建立了無線連接，人腦傳達的信息就可以用來操控機器人了。

思維操控的假肢運動起來就像真的肢體一樣。即使在我們睡覺的時候，智能家居裝置依然能夠通過思維控制的方式自動開關。而且這個系統(tǒng)是非侵入性的，因為它們可以識別前額10至100微伏的非常微弱的信號。

人類大腦所發(fā)出的電磁波（介于0.3～60赫茲）通常能夠被EEG中使用的大量電極（21-64個電極）檢測到。雖然明尼蘇達大學的研究人員已經展示過一個使用64個電極的思維控制四軸飛行器，但這樣的系統(tǒng)非常復雜和昂貴。

其實，這種意念控制技術其實在2007年便已取得了較大突破，來自美國華盛頓大學的學生曾開發(fā)出了一套新系統(tǒng)，可以讓使用者通過思維來控制機器人抓取并搬運物體。不過當時所使用的感應器相當復雜。

2009年英國《每日郵報》也報道過一家日本公司開發(fā)的新技術，是通過識別大腦頭皮層電流變化和血液的流動信息，實現由人的大腦意念來控制機器人。當時這種技術已可以實現比如打開汽車車門或者關閉家里的暖氣這樣的簡單動作。不過當時該日本公司的技術人員稱，由于讀取數據不穩(wěn)定，所以這項技術暫時還不能在現實生活中使用。比如使用者如果受外界影響稍一分心，就會出現控制失誤，導致機器人行為失控。而且每個人的大腦構造不同，每一位使用者在戴上感應器進行試驗之前，科研人員都至少需要花上兩至三個小時來研究使用者的大腦構造，才能夠令機器人更準確獲得相應的人腦信息。

而美國國防部先進研究項目局2013年預算報告中披露，美國正在進行一項名為“阿凡達”的研究項目，打算在未來打造出像電影《阿凡達》中一樣可用人腦遠程控制的“機器人軍團”。其最終目標是實現讓人類士兵用思維控制類人機器人參戰(zhàn)，使真人能夠遠離危險的戰(zhàn)場。

在我國，2013年首臺思維操控機器人在青島誕生?！俺錾痹谇鄭u的國內首臺意念控制機器人，是一套集成了機械電子、康復醫(yī)學、虛擬現實等多種高新技術的新型康復訓練系統(tǒng)。

目前，密歇根州立大學微納米技術實驗室的研究者利用3D打印技術，使腦電圖電極、電子產品的包裝和電源實現了小型化。他們的思維控制系統(tǒng)能夠被安裝在帽子或者假發(fā)上，用于控制機器人和智能家居家電等設備。新的腦電圖系統(tǒng)也將有助于研究常見的神經中樞疾病，這是通過使用革新性的、便宜的、非侵入性的并且穿戴舒適的個人整合醫(yī)療保健微系統(tǒng)來實現的。

下一步商業(yè)化

Dean Aslam透露說，在思維操控機器人的實驗中，機器人識別指令的正確率超過90%，如果應用了復合的控制信號（如注意力水平、眨眼、肌肉激活度等），這個準確率可以被提升到接近100%。

除了讓使用者操控假肢、無人機和智能家居，這項技術一個主要的貢獻是可以應用在個人保健。例如可以用來監(jiān)測睡眠，測量深度睡眠，快速眼動睡眠（又稱異相睡眠），醒來的次數。而實現的可能性將遠遠超出預期。人類的大腦是感官的集合，如果我們可以全天候監(jiān)測大腦電波，便可以實現個人化的心理和身體狀態(tài)監(jiān)測。在不久的將來，我們將能夠通過設備監(jiān)測大腦狀況來估算幸福感。

“我一直與研究精神系統(tǒng)疾?。ㄈ缗两鹕习Y和老年癡呆癥）和某些老年疾?。ㄈ绨V呆等）的研究者保持聯(lián)系，他們均表示對于腦電波技術的應用前景非常感興趣。”談到思維控制機器人未來的應用價值，Dean Aslam說。

目前，腦波相關的技術大多應用在醫(yī)療領域，例如治療癲癇等腦部疾病的病人，及神經系統(tǒng)疾病的早期預測。此外，已經有多個科研機構宣稱開發(fā)出了可以利用思維控制的義肢，幫助癱瘓病人完成簡單動作。不斷拓展新的應用領域，或許將成為智能機器人未來發(fā)展的趨勢。思維控制機器人將運用于操作智能家居系統(tǒng)，人機界面，無人機，軍事及太空探索等領域。

值得注意的是，雖然人類對于腦波的研究已經有60多年，但是相關的科研成果一直沒有能夠進行大規(guī)模的商業(yè)化應用。一方面是由于人的大腦過于復雜，人類對于它的研究還比較初級，另一方面，腦波測量的困難也成為阻礙技術進一步發(fā)展的重要原因。人的大腦被緊緊包裹在頭蓋骨當中，頭骨屏蔽掉了大量信號，能夠傳到外面的已經相當微弱，因此從外界測量就變得格外困難。

因此，目前思維控制機器人的功能還需要進一步完善，面臨的主要挑戰(zhàn)在于兩點。電極、控制電子元件、電池和包裝的小型化和能否生產出廉價的、非侵入性以及靈活的腦電圖微系統(tǒng)。

在應用方面，下一步Dean Aslam博士會持續(xù)在以下四個領域的研究：思維控制的假肢；思維控制的娛樂玩具和益智玩具；思維控制技術如何幫助神經系統(tǒng)疾病的預防和治療，包括帕金森綜合癥，阿爾茨海默癥，注意缺陷障礙、注意缺陷多動障礙，老年人疾病等；幸福感和自我意識的測量。