腦-機(jī)接口技術(shù)在載人航天任務(wù)中的應(yīng)用研究

果琳麗張志賢張澤旭（ 中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部 哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

?

腦-機(jī)接口技術(shù)在載人航天任務(wù)中的應(yīng)用研究

果琳麗1張志賢1張澤旭2（1 中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)）

1　腦-機(jī)接口技術(shù)概述

腦-機(jī)接口技術(shù)概念

腦-機(jī)接口（BCI）是以腦電信號(hào)或其他相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，將大腦活動(dòng)特征轉(zhuǎn)化為預(yù)定義的命令，從而實(shí)現(xiàn)與外界交流或者控制其他外部設(shè)備的先進(jìn)技術(shù)，是一種不依賴身體肌肉組織系統(tǒng)和控制神經(jīng)系統(tǒng)的新型智能接口技術(shù)。因此，我們可以把BCI定義為一個(gè)非肌肉通信系統(tǒng)，它可以使人體的大腦意圖和外界環(huán)境進(jìn)行直接的溝通交流，在計(jì)算機(jī)和大腦之間建立一個(gè)新的通信通道。

BCI和普通人機(jī)接口的一個(gè)主要差別是，BCI只需要檢測(cè)大腦的響應(yīng)性或目的性活動(dòng)信號(hào)，而不需要人體語言或身體動(dòng)作的參與?；谀X電信號(hào)（EEG）的BCI并非試圖解釋大腦自發(fā)腦電，而是使大腦產(chǎn)生容易被解釋分析的腦電，BCI檢測(cè)分析出這種特異性腦電后，就可以發(fā)出相對(duì)應(yīng)的控制信息。

BCl系統(tǒng)組成

BCl系統(tǒng)組成

BCI系統(tǒng)和任何通信系統(tǒng)一樣，有輸入（即來自使用者的大腦信號(hào)）、輸出（即設(shè)備指令）、將前者轉(zhuǎn)化為后者的組件，以及決定運(yùn)行開始、偏移及定時(shí)的操作協(xié)議。因此，任何BCI系統(tǒng)都可以說是由四大部分組成：

1）信號(hào)采集，即采集大腦信號(hào)；

2）信號(hào)處理，即提取大腦信號(hào)特征并將其轉(zhuǎn)化為設(shè)備指令；

3）輸出設(shè)備，根據(jù)設(shè)備指令執(zhí)行動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)用戶的意圖；

4）操作協(xié)議，即引導(dǎo)操作流程。

對(duì)于部分BCI系統(tǒng)還會(huì)加入反饋環(huán)節(jié)，用戶不僅知道自己思維控制得到的結(jié)果，對(duì)于出現(xiàn)的誤操作，用戶也可以進(jìn)行自主調(diào)節(jié)腦電信號(hào)以達(dá)到更好的控制目標(biāo)。反饋可以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，但是同時(shí)也會(huì)影響用戶體驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)也帶來一定的資源負(fù)擔(dān)。

BCl技術(shù)的分類

根據(jù)傳輸形式，BCI技術(shù)可以分為單向BCI技術(shù)和雙向BCI技術(shù)，單向BCI技術(shù)不能同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)，而雙向BCI技術(shù)允許腦和外部設(shè)備間的雙向信息交換。

腦皮層電位（ECoG）信號(hào)是通過信號(hào)采集系統(tǒng)，經(jīng)過信號(hào)采集、放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等輸出的預(yù)處理信號(hào)，即還原之后較為純凈的腦電信號(hào)；然后，ECoG信號(hào)處理系統(tǒng)經(jīng)過特征提取、模式識(shí)別、模式分類進(jìn)行信號(hào)處理，將分類結(jié)果輸出；再經(jīng)過指令編碼，將信號(hào)變?yōu)榭刂浦噶顐鬏斀o控制機(jī)構(gòu)，控制外界環(huán)境及設(shè)備；同時(shí)，將反饋信息經(jīng)過多通道反饋系統(tǒng)傳輸給計(jì)算機(jī)及人腦，進(jìn)行人機(jī)交互，對(duì)控制指令進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整和確認(rèn)。

交互環(huán)節(jié)是BCI系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)用于載人航天領(lǐng)域的雙向BCI系統(tǒng)是基于人機(jī)交互模式的。BCI系統(tǒng)的輸出通過視覺、聽覺、觸覺等方式反饋給使用者，使用者將結(jié)果與自己的期望進(jìn)行比較，調(diào)整自身生理狀態(tài)，對(duì)后續(xù)輸入進(jìn)行保持或者調(diào)解，以使系統(tǒng)輸出達(dá)到更好的效果。

雙向BCl人機(jī)交互技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

2　BCl技術(shù)在載人航天領(lǐng)域的潛在應(yīng)用分析

載人航天任務(wù)中，航天員的生命安全是最重要的，航天員在環(huán)境惡劣的太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)，由于微重力、高輻射等空間環(huán)境的影響，會(huì)使一些原本簡(jiǎn)單的任務(wù)變得復(fù)雜不可控。因此，將雙向BCI技術(shù)應(yīng)用于載人航天領(lǐng)域可以確保航天員的安全，增加任務(wù)的靈活性和可靠性，提升空間操作的安全性和效率。

控制機(jī)器人進(jìn)行空間站維修作業(yè)

空間站等航天器大多數(shù)安裝有高精度電子元器件，其中有很多微型元器件安裝在儀器中。航天器質(zhì)量越小、體積越小，需要攜帶的燃料越少，有效載荷比就越高。因此，很多航天器的設(shè)備都盡可能節(jié)省空間，緊密安裝在狹小的空間內(nèi)。這些電子元器件發(fā)生故障時(shí)，航天員很難對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，而且在任務(wù)執(zhí)行中，有些元器件不能拆卸。如果能將BCI技術(shù)和微型維修機(jī)器人結(jié)合，就能夠解決這類問題。

微型維修機(jī)器人由于體積小，能夠進(jìn)入航天員到達(dá)不了的狹小空間，航天員可以通過微型維修機(jī)器人的拍攝裝置，在計(jì)算機(jī)上顯示出故障發(fā)生的位置，通過BCI控制微型維修機(jī)器人，將損壞的元器件換下，或者直接進(jìn)行修復(fù)。

航天服內(nèi)部環(huán)境控制

航天員在執(zhí)行艙外任務(wù)時(shí)，需要對(duì)航天服的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，維持航天服內(nèi)部環(huán)境的相對(duì)穩(wěn)定。由于外界環(huán)境的差異性、工作環(huán)境的復(fù)雜性，要根據(jù)外界的環(huán)境變化對(duì)航天服內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行控制。可以將BCI技術(shù)應(yīng)用于航天服內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)中，通過實(shí)時(shí)性控制，確保環(huán)境控制的及時(shí)性。

在艙外作業(yè)中，如果航天員感覺到身體不適或遇到緊急事件時(shí)，可以通過BCI系統(tǒng)迅速向飛行器和航天服發(fā)送信號(hào)，無需手動(dòng)操作，使航天服內(nèi)部環(huán)境控制系統(tǒng)接收到指令信息可以做出快速反應(yīng)，比如增加航天服內(nèi)氧氣含量，提高航天服內(nèi)溫度等，確保航天員生命安全。

BCl與肌電圖結(jié)合的人體機(jī)械外骨骼

基于BCI與肌電圖（EMG）結(jié)合的人體機(jī)械外骨骼，在載人航天領(lǐng)域有非常好的發(fā)展前景。航天員進(jìn)行星表勘探時(shí)，星表探測(cè)器不能隨著航天員的運(yùn)動(dòng)范圍任意運(yùn)動(dòng)，航天員在進(jìn)行人工鉆取、挖孔、采集星表土壤時(shí)，外骨骼裝備可以根據(jù)腦信號(hào)和肌肉信號(hào)的控制指令進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，為航天員節(jié)省了體能，并且能夠提供超出航天員自身的力量。在外骨骼裝備的幫助下，航天員可以在星表更為輕松、省力地行走?；贐CI與EMG的人體外骨骼裝備，同時(shí)接收ECoG信號(hào)和EMG信號(hào)，可以更好地為航天事業(yè)服務(wù)。

人體外骨骼示意圖

BCl與EMG結(jié)合的人體外骨骼控制系統(tǒng)示意圖

人體外骨骼裝備幫助脊椎受損的航天員恢復(fù)行走

對(duì)于長(zhǎng)期生活在空間站或者經(jīng)受長(zhǎng)期太空旅行的航天員來說，長(zhǎng)期的微重力環(huán)境會(huì)對(duì)航天員的肌肉組織和骨骼組織造成傷害，導(dǎo)致骨質(zhì)流失和肌肉萎縮等癥狀?？梢允褂没贐CI和EMG結(jié)合的人體外骨骼裝置，幫助航天員進(jìn)行恢復(fù)訓(xùn)練。比如，通過ECoG信號(hào)對(duì)腿部外骨骼進(jìn)行控制，協(xié)助、強(qiáng)迫進(jìn)行腿部訓(xùn)練，給腿部肌肉持續(xù)受力，進(jìn)行腿部機(jī)能恢復(fù)訓(xùn)練。

對(duì)于在執(zhí)行任務(wù)中受傷、致殘的航天員，基于BCI和EMG結(jié)合的人體外骨骼技術(shù)，可以最大程度地幫助他們進(jìn)行正常的生活。對(duì)于一名脊椎受損的航天員，通過無線數(shù)據(jù)通信建立閉環(huán)通信回路，可以繞過受損的脊椎部分，進(jìn)行信息傳遞和反饋。

BCl與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合的載人車輛導(dǎo)航技術(shù)

在載人深空探測(cè)任務(wù)中，根據(jù)探測(cè)任務(wù)的需要，探測(cè)器到達(dá)探測(cè)目標(biāo)后，要釋放星表探測(cè)器對(duì)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行表面作業(yè)，例如，月球車、火星車、小行星星表探測(cè)器等。這些星表探測(cè)器工作時(shí)需要進(jìn)行導(dǎo)航，將BCI與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)相結(jié)合，可以對(duì)火星車等進(jìn)行遠(yuǎn)程大范圍導(dǎo)航。在探測(cè)器著陸之前的探測(cè)目標(biāo)繞飛階段，對(duì)目標(biāo)星進(jìn)行拍攝和地形重構(gòu)，將星表的三維圖像傳輸給可視化頭盔，航天員根據(jù)還原的視景呈現(xiàn)發(fā)出ECoG信號(hào)，通過BCI系統(tǒng)對(duì)ECoG信號(hào)進(jìn)行處理、分析，轉(zhuǎn)化為導(dǎo)航信號(hào)分別傳輸給VR系統(tǒng)和火星車等導(dǎo)航目標(biāo)。在VR系統(tǒng)的還原場(chǎng)景中，虛擬火星車執(zhí)行導(dǎo)航指令，航天員可以根據(jù)VR系統(tǒng)的圖像進(jìn)行大范圍路徑規(guī)劃。同時(shí)，火星車接收導(dǎo)航命令進(jìn)行工作，并將實(shí)時(shí)導(dǎo)航結(jié)果反饋給航天員，判斷是否繼續(xù)下一步導(dǎo)航指令。

BCl與VR結(jié)合的導(dǎo)航過程示意圖

機(jī)械臂操控技術(shù)

在執(zhí)行太空碎片回收、廢棄衛(wèi)星回收、小衛(wèi)星捕獲等航天任務(wù)時(shí)，需要對(duì)航天器的機(jī)械臂、機(jī)械手進(jìn)行控制，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行抓取、捕獲?？梢詫CI技術(shù)與航天器機(jī)械臂的控制相結(jié)合，通過BCI對(duì)航天器機(jī)械臂進(jìn)行直接控制。

雖然使用傳統(tǒng)的操縱桿和顯示屏等接口的機(jī)械手或者機(jī)器人，可以從航天器內(nèi)部或者地面手動(dòng)控制，系統(tǒng)地完成一些任務(wù)，也能夠降低對(duì)艙外活動(dòng)的需求，但是傳統(tǒng)機(jī)械手或者機(jī)器人的靈活性、適應(yīng)性不足以代替所有的艙外活動(dòng)，尤其是執(zhí)行特殊任務(wù)的高精度靈巧機(jī)械臂。

理想的航天器機(jī)械臂系統(tǒng)是操作者能夠通過運(yùn)動(dòng)想象，十分精確、即時(shí)地控制機(jī)械臂的移動(dòng)，像控制自己的手臂一樣。為了能夠代替航天員的一些艙外活動(dòng)，進(jìn)行科學(xué)任務(wù)，基于BCI的機(jī)械臂系統(tǒng)必須能夠在速度、精度、安全性、靈活性上同已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的方法處于同一水平上。

“國(guó)際空間站”桁架上的加拿大機(jī)械臂-2

控制機(jī)器人代替航天員出艙作業(yè)

載人航天任務(wù)中，最重要的就是保證航天員的生命安全。然而，太空環(huán)境極其惡劣，航天員在執(zhí)行艙外任務(wù)時(shí)，要承受多種宇宙射線和微重力環(huán)境的影響，身體健康和生命安全都受到一定程度的威脅。

針對(duì)這種情況，可以使用智能機(jī)器人代替航天員進(jìn)行艙外活動(dòng)，航天員在艙內(nèi)通過BCI控制智能機(jī)器人工作，可以更安全、有效地完成科學(xué)任務(wù)，而且智能機(jī)器人可以到達(dá)航天員不能到達(dá)的區(qū)域和環(huán)境工作，還能完成一些航天員無法完成的科學(xué)探測(cè)任務(wù)。

航天員應(yīng)急系統(tǒng)

載人深空探測(cè)已經(jīng)成為各國(guó)航天領(lǐng)域重點(diǎn)研究的領(lǐng)域，美國(guó)航空航天局（NASA）的小行星登陸計(jì)劃和火星登陸計(jì)劃都在按部就班地進(jìn)行著。絕大多數(shù)的載人深空探測(cè)的任務(wù)周期都超過1年，航天員長(zhǎng)期處于惡劣的太空環(huán)境，對(duì)身體健康和生命安全都有一定的威脅。因此，在載人探測(cè)任務(wù)計(jì)劃中會(huì)設(shè)計(jì)航天員應(yīng)急系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，保證航天員在航天器緊急故障或突發(fā)狀況下，能夠啟動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)，保證航天員生命安全。

如果可以采用BCI技術(shù)啟動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)，可以在突發(fā)狀況下節(jié)省寶貴的時(shí)間，迅速啟動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)。而且突發(fā)狀況時(shí)，航天員由于各種原因，很難馬上接觸到應(yīng)急裝置，用BCI進(jìn)行啟動(dòng)，會(huì)在第一時(shí)間為航天員提供幫助。

基于BCl的遙操作技術(shù)

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，在軌服務(wù)技術(shù)越來越受到重視，相應(yīng)遙操作技術(shù)也得到大力發(fā)展。對(duì)于廢棄衛(wèi)星回收、衛(wèi)星天線等制定器件回收、空間碎片清理、超近距離導(dǎo)航、對(duì)接等任務(wù)，可以采用基于BCI的遙操作技術(shù)，可以保證任務(wù)的高效性和可靠性。

例如，對(duì)于廢棄衛(wèi)星的高頻天線回收，可以通過BCI控制飛行器的機(jī)械臂、機(jī)械手等對(duì)天線進(jìn)行拆除和回收，再通過視頻傳輸信號(hào)進(jìn)行任務(wù)反饋，根據(jù)機(jī)械臂、機(jī)械手的位置測(cè)量信息等反饋信息，再發(fā)出接下來的指令，通過遙操作完成對(duì)廢棄衛(wèi)星高頻天線的回收。

3　雙向BCl技術(shù)應(yīng)用于載人航天任務(wù)中存在的關(guān)鍵問題

信息傳輸問題

從機(jī)器人角度看BCI問題，主要是如何實(shí)時(shí)、精確、巧妙地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的控制，以及將非植入式BCI應(yīng)用在機(jī)器人控制領(lǐng)域。通常對(duì)機(jī)器人的靈活控制需要每秒至少20個(gè)控制指令，遠(yuǎn)高于目前基于EEG的非植入式BCI的0.5bit/s的傳輸率和植入式BCI的6.5bit/s的傳輸率。為了說明目前BCI技術(shù)的現(xiàn)狀，以柏林BCI系統(tǒng)為例，在該系統(tǒng)中，6個(gè)被試者進(jìn)行了3個(gè)簡(jiǎn)單的基于運(yùn)動(dòng)想象的光標(biāo)控制訓(xùn)練任務(wù)，3個(gè)任務(wù)的平均數(shù)據(jù)傳輸率是0.3bit/s，而要實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)機(jī)械臂的靈活控制（包括控制方向、速度、抓握力量以及復(fù)雜的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)），顯然需要比這個(gè)大得多的信息傳輸率。

盡管在現(xiàn)在的技術(shù)條件下還無法實(shí)現(xiàn)對(duì)基于BCI技術(shù)的機(jī)器人實(shí)時(shí)、靈活的控制，但是可以實(shí)現(xiàn)一些現(xiàn)階段技術(shù)條件下可以完成的應(yīng)用，比如不用手就實(shí)現(xiàn)對(duì)艙外航天服內(nèi)部的環(huán)境控制等。另外，BCI技術(shù)還可以解碼高層次的指令，該指令將半自動(dòng)地被機(jī)器人或者其他系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，此過程中可能伴隨著監(jiān)控，或者由更高層次的指令適當(dāng)干預(yù)。

精度問題

決定BCI系統(tǒng)精度的因素包括個(gè)體的生物學(xué)差異、任務(wù)的種類、使用的硬件和軟件（包括預(yù)測(cè)機(jī)制的類型和錯(cuò)誤信號(hào)的糾正）、信號(hào)質(zhì)量以及一個(gè)特定使用者執(zhí)行一個(gè)思維任務(wù)的能力。在基于分類器的BCI系統(tǒng)中，精度必須用信息傳輸率和指令延時(shí)來衡量。若要對(duì)BCI系統(tǒng)的精度做出有意義的比較，這兩方面是必須參照的。但粗略來看，以柏林BCI為例，它區(qū)分兩種狀況的正確率大約為90%，個(gè)體正確率在78.1%～98%。對(duì)于很多更高維度的任務(wù)來說，系統(tǒng)的精度還會(huì)下降。另外，由于使用者的移動(dòng)或者來自其他任務(wù)的干擾而導(dǎo)致信號(hào)噪聲增加，也會(huì)使得精度下降。

保證太空操作的精度并不單純?yōu)榱私档筒僮魇÷屎吞岣呷蝿?wù)的性能表現(xiàn)，在大部分的應(yīng)用中，不足的精度還會(huì)造成安全問題、設(shè)備損壞或者阻礙操作的執(zhí)行。精度問題是目前BCI技術(shù)應(yīng)用于載人航天領(lǐng)域的一個(gè)主要障礙。

反饋問題

快速、多維的反饋以實(shí)現(xiàn)類似于機(jī)械手臂這樣的裝置進(jìn)行精確、平穩(wěn)的控制，以及避免設(shè)備的損壞是至關(guān)重要的。因此，機(jī)器人系統(tǒng)必須能夠察覺到差錯(cuò)和力度的大小，還必須能自動(dòng)改變這些參數(shù)或者實(shí)時(shí)地將這些信息反饋給使用者，以供其相應(yīng)地改變自己的輸出。Kim等人稱，目前的機(jī)器人傳感器不足以很好地完成這些操作，即使完成了，反饋給使用者的信息質(zhì)量和信息內(nèi)容也會(huì)受到傳感方式的制約。

要在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精確的常速移動(dòng)，常用的可視化方法將會(huì)引入過長(zhǎng)的時(shí)延，盡管在基于植入式BCI的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，實(shí)時(shí)的視覺反饋已經(jīng)被成功地應(yīng)用于基本的機(jī)器人控制，但若要達(dá)到高實(shí)時(shí)性的精確控制，還需要進(jìn)一步深入探索，通過融合其他方法，有效地增加反饋回來的信息量，在一定程度上減少反饋時(shí)延。目前，反饋問題仍然是將BCI技術(shù)應(yīng)用于載人航天領(lǐng)域的瓶頸。

4　結(jié)束語

如果能將雙向BCI技術(shù)廣泛應(yīng)用于未來的載人航天任務(wù)中，將大大減少對(duì)航天員出艙活動(dòng)及維修、維護(hù)等任務(wù)的需求，有利于減輕航天員的工作負(fù)荷，提高工作效率，這是未來載人航天任務(wù)中實(shí)現(xiàn)人機(jī)聯(lián)合探測(cè)及操作的重要途徑。

Research on Application of Brain-computer Interface in Human Spaceflight Mission