腦機(jī)接口的研究現(xiàn)狀 及未來(lái)應(yīng)用的展望

在頭部連上儀器，便可以通過(guò)腦電波控制機(jī)器進(jìn)行一些操作，曾經(jīng)只是好萊塢科幻大片中人們的“空想”，如今在科學(xué)家們的不斷研究和探索中，這樣的幻想已經(jīng)逐漸變成現(xiàn)實(shí)，出現(xiàn)在人們的生活中，其背后所涉及的技術(shù)就是“腦機(jī)接口”。前不久，在2018世界機(jī)器人大會(huì)上，法國(guó)科學(xué)院院士、法國(guó)CNRS與日本AIST機(jī)器人聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任Abderrahmane Kheddar，就當(dāng)前技術(shù)的發(fā)展水平，分析了腦機(jī)接口的研究現(xiàn)狀和未來(lái)應(yīng)用的展望。

如今，在機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展研究中，機(jī)器人在某些領(lǐng)域需要完成特定的任務(wù)，但這些任務(wù)并不是憑空出現(xiàn)的，而是需要我們告訴機(jī)器人它們必須去做什么。但這就出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題：我們?nèi)绾胃嬖V它們來(lái)完成這些任務(wù)。現(xiàn)在掃地機(jī)器人在人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用較為廣泛，在掃地機(jī)器人系統(tǒng)中裝有軟件和傳感技術(shù)，用戶按下一個(gè)鍵就可以指揮機(jī)器人進(jìn)行打掃，打掃完成之后需要進(jìn)行一個(gè)反饋：家里是否打掃干凈了，這一點(diǎn)也可以通過(guò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行再編程實(shí)現(xiàn)。再者就是一些通用型的機(jī)器人，它們通常能夠和人進(jìn)行協(xié)作，不過(guò)這就要涉及到制造的問(wèn)題了。

在大多數(shù)人看來(lái)，機(jī)器人需要的指令越多，完成的任務(wù)就越為準(zhǔn)確，在操作時(shí)，這些機(jī)器人仍然需要用界面或者控制面板進(jìn)行控制，從而接受一些指令。當(dāng)然，這可能比傳統(tǒng)制造業(yè)所使用的自動(dòng)機(jī)器人容易得多。此外，我們還可以通過(guò)遙感控制無(wú)人機(jī)，這樣無(wú)人機(jī)就可以按照你的指令移動(dòng)，但想要它完全理解你的意圖與情感，這是一件非常困難的事情。

在日常生活中，我們通常讓機(jī)器人做一些輔助性的工作，有時(shí)會(huì)根據(jù)需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，讓它具有一部分大腦的功能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，腦機(jī)接口，或者機(jī)器和大腦之間的連接界面可能涉及到肌肉科學(xué)和腦科學(xué)等多門學(xué)科，但要想真正完成從意圖到行動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，兩者之間還有很大的距離。在一些大家熟悉的好萊塢科幻電影中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這種有關(guān)腦機(jī)接口的高科技，我們?cè)?jīng)設(shè)想過(guò)能否通過(guò)意識(shí)控制機(jī)器人，當(dāng)然，這是最終的目標(biāo)。后來(lái)，在我們開(kāi)始著手進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目研究時(shí)，我們的目標(biāo)是真正實(shí)現(xiàn)用大腦控制機(jī)器人。

你不需要用手或者肌肉對(duì)機(jī)器人進(jìn)行任何操作，只需要通過(guò)大腦的控制，便能夠指揮機(jī)器人做任何事情。也就是說(shuō)，機(jī)器人能猜出你的意圖從而進(jìn)行相應(yīng)的行動(dòng)。在這一過(guò)程中，涉及到對(duì)腦科學(xué)的研究，對(duì)大腦的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在剛開(kāi)始進(jìn)行研究時(shí)，我們常常因?yàn)檫@個(gè)想法而感到興奮，但到目前為止，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)想法的實(shí)現(xiàn)還是非常困難的。讀取大腦信息本身就是一件極其困難的事情，而想要根據(jù)腦部信息給出指令就更是難上加難。一般來(lái)說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要以下幾個(gè)步驟：獲取腦部信息和意圖，對(duì)信息、意圖進(jìn)行傳輸，傳輸以后進(jìn)行行動(dòng)。要想做到這些，首先需要對(duì)腦科學(xué)有深刻的理解，其次有一些有關(guān)腦科學(xué)的項(xiàng)目研究，在此基礎(chǔ)上，還需要設(shè)計(jì)一些腦機(jī)之間的互動(dòng)界面，保證機(jī)器在做事情的時(shí)候需要得到你的認(rèn)可，不能隨意地做一些有害的事情。

那么，我們?cè)撊绾斡涗洿竽X的活動(dòng)呢？一種是介入的方式，就是在大腦中放入一些東西。但這種方式操作起來(lái)非常困難，而且并不合理。再者就是非介入的方式，在身體外部安裝一些裝置。當(dāng)然，我們認(rèn)為這種做法也并不是特別友好。最好的方式可能就是用電磁信號(hào)去了解和記錄大腦的活動(dòng)，而這也是對(duì)用戶來(lái)說(shuō)最為友好的一種方式。除此之外，我們還在不斷地嘗試一些其它的方式。

在用非介入的方式記錄大腦的活動(dòng)時(shí)，可以獲取大量的信息，但還有一些信息只能通過(guò)介入的方式才能獲得，甚至有些是需要用很小的探針才能獲得的。

腦機(jī)接口的實(shí)現(xiàn)

在機(jī)器人的研究中，我們應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)腦機(jī)接口呢？首先，我們需要將大腦的數(shù)據(jù)發(fā)送到接口，然后將控制信號(hào)發(fā)送到機(jī)器人系統(tǒng)，最后再經(jīng)過(guò)反饋和循環(huán)環(huán)節(jié)。大多數(shù)BCI（腦機(jī)接口）技術(shù)都是基于大腦的電磁信號(hào)進(jìn)行的。然而，無(wú)論是通過(guò)EEG（腦電圖）還是其它方式對(duì)大腦活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷大腦正在想什么仍然是非常困難的事情。一般來(lái)說(shuō)，除了對(duì)大腦信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)之外，還要監(jiān)測(cè)很多其它信號(hào)才能最終確定大腦所發(fā)出的意圖是什么，而這種多策略的方式能夠喚醒大腦的潛力。腦科學(xué)的研究人員往往會(huì)根據(jù)大腦的活躍程度將大腦的狀態(tài)分成若干個(gè)類別，并為它們起了不同的名稱，α，β，θ，δ，其實(shí)這些都是人類常見(jiàn)的幾種狀態(tài)。我們會(huì)對(duì)腦電波的頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以觀測(cè)在某些情況發(fā)生的時(shí)候腦電波是否會(huì)發(fā)生變化，是否會(huì)刺激和喚醒某些東西。

就α波而言，在用EEG對(duì)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，人類的眼睛在打開(kāi)的時(shí)候呈現(xiàn)的是一種狀態(tài)，而當(dāng)眼睛閉上的時(shí)候信號(hào)發(fā)生了顯著的變化，這就涉及到放松訓(xùn)練甚至生物應(yīng)激反應(yīng)等。那么需要思考一個(gè)問(wèn)題，這些信號(hào)與信號(hào)之間有什么樣的關(guān)系呢？我們想觀測(cè)這些信號(hào)之間的關(guān)系，以及它們和某些事件之間是否有同步效應(yīng)呢？比如這些動(dòng)作在發(fā)生的時(shí)候和信號(hào)之間的反應(yīng)相關(guān)性。如果想要猜出人類的意圖就必須知道這些信號(hào)所代表的是什么，能夠被什么所觸發(fā)。無(wú)論是用EEG還是其它方式，當(dāng)對(duì)大腦的某個(gè)控制動(dòng)作的區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)不同動(dòng)作的大腦信號(hào)頻率是不一樣的，可以將監(jiān)測(cè)得到的信號(hào)和從實(shí)際動(dòng)作中得到的結(jié)論進(jìn)行對(duì)照，以驗(yàn)證它們之間是否是一一對(duì)應(yīng)，具有相關(guān)性的。

如今，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，我們可以利用BCI腦控機(jī)器人完成很多事情。一定程度上來(lái)說(shuō)，這也是非常容易理解的。比如，當(dāng)一種刺激到達(dá)你的眼睛時(shí)，你會(huì)看到一張圖片，如果每當(dāng)試圖產(chǎn)生特定頻率時(shí)都會(huì)看到一個(gè)信號(hào)，比如它的頻率線，而研究發(fā)現(xiàn)這個(gè)頻率其實(shí)是被你的大腦復(fù)制而成的，可以通過(guò)EEG功率光譜對(duì)這兩個(gè)頻率進(jìn)行確認(rèn)。例如，面對(duì)“ABCDEF”這樣的字母，如果你關(guān)注的是“C”，大腦便會(huì)產(chǎn)生一種反應(yīng)，知道你是在看“C”，而機(jī)器人是有攝像頭的視覺(jué)系統(tǒng)，它可以通過(guò)這種視覺(jué)的方式進(jìn)行控制，所以機(jī)器人看到的事物也就是它的使用者所看到的事物。

在一定的環(huán)境中，當(dāng)某一件物體開(kāi)始閃爍光點(diǎn)的時(shí)候，如果你的關(guān)注點(diǎn)是在某個(gè)特定的物體上面，機(jī)器人就會(huì)意識(shí)到這件物體便是你想抓住的東西，然后就會(huì)去抓這件物體。因此，我們利用AI技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同頻率范圍內(nèi)的識(shí)別，而這種識(shí)別是可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的。

那么，現(xiàn)在我們來(lái)了解一下神經(jīng)系統(tǒng)反饋，這也是很多專家學(xué)者正在研究的問(wèn)題，訓(xùn)練你的大腦實(shí)現(xiàn)神經(jīng)的反饋。也就是說(shuō)，你有一個(gè)任務(wù)，想要對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，使得它能夠完成這個(gè)任務(wù)，比如，把鼠標(biāo)向左或者向右移動(dòng)。如果一個(gè)人想要把鼠標(biāo)向左或者向右移動(dòng)的話，他就會(huì)在大腦中進(jìn)行想象，那么，你就可以從中獲得數(shù)據(jù)，對(duì)他大腦所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理，這就被稱為神經(jīng)反饋。然后你需要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)、分類等操作，最后再對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行生物反饋的訓(xùn)練。

實(shí)際上，有關(guān)這一領(lǐng)域的相關(guān)研究結(jié)果已經(jīng)在《Nature》雜志上發(fā)表了，在一定的環(huán)境中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的訓(xùn)練，人們可以通過(guò)思想控制機(jī)械臂完成一些操作，而整個(gè)過(guò)程的進(jìn)行還是比較順暢的。在訓(xùn)練的過(guò)程中，這個(gè)人會(huì)產(chǎn)生一些特定的信號(hào)模式，所以機(jī)器人就可以理解他的意圖，從而進(jìn)行相應(yīng)的操作。那么，我們需要考慮的是怎樣讓機(jī)器人學(xué)會(huì)運(yùn)動(dòng)控制。如果我們想抓住一個(gè)飲料罐的話，大腦肯定會(huì)產(chǎn)生這樣一個(gè)指令，就是要做“抓住飲料罐”這件事情。如果你知道一個(gè)人在想什么，就比較容易對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程。但是如果一個(gè)人想要完成某個(gè)任務(wù)的時(shí)候，每一步都要停下來(lái)產(chǎn)生大腦信號(hào)并讓機(jī)器人進(jìn)行理解的話，那將是一個(gè)讓人筋疲力盡的過(guò)程，能夠提前預(yù)知這個(gè)人的意圖效果就會(huì)好很多。

未來(lái)，BCI腦控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展會(huì)是怎樣的呢？可以這樣說(shuō)，我們不是要用BCI產(chǎn)生一些低級(jí)別的命令或者軌跡，而是使用BCI猜測(cè)和預(yù)知人類的意圖，并且使用機(jī)器人進(jìn)行任務(wù)空間的計(jì)劃和控制。目前，有關(guān)這一領(lǐng)域的研究看起來(lái)在大腦策略方面有所停滯，所以我們需要在大腦監(jiān)測(cè)方面實(shí)現(xiàn)一些突破，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)對(duì)人類的意圖做出真正的猜測(cè)和預(yù)知。伯克利大學(xué)的一些教授也在做這方面的研究，但目前為止我們還沒(méi)有辦法對(duì)將要關(guān)注的物體做出預(yù)測(cè)，如果這個(gè)問(wèn)題解決了，那么在猜測(cè)大腦意圖的研究中，還有兩個(gè)重要的問(wèn)題需要思考：怎樣有效地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)？怎樣對(duì)其進(jìn)行體現(xiàn)？

機(jī)器人與人之間需要增強(qiáng)信任，打破界限

如今，我們身邊已經(jīng)出現(xiàn)很多人形機(jī)器人，而且隨著技術(shù)的進(jìn)步，每年都會(huì)有嶄新的成果涌現(xiàn)，許多創(chuàng)新型的機(jī)器人在不斷出現(xiàn)，外形方面也越來(lái)越像人。未來(lái)，我們也許會(huì)克隆出人形機(jī)器人，通過(guò)各種方式對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，比如用手勢(shì)傳遞各種想要其完成的操作指令。當(dāng)然，我們的目標(biāo)遠(yuǎn)不止對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制?，F(xiàn)在的問(wèn)題是如何遠(yuǎn)程控制這種機(jī)器人，你必須認(rèn)定它是你身體的一部分，而不是一個(gè)機(jī)器人。所以要打破機(jī)器人和人之間的界限，要讓一個(gè)人相信，這個(gè)機(jī)器人就是自己身體的一部分，它就是你自己，這是最有挑戰(zhàn)性的部分。

在未來(lái)的有關(guān)腦機(jī)接口的研究中，我們希望能夠加強(qiáng)機(jī)器人與人之間的交流，縮短兩者之間的距離，在一定的環(huán)境下設(shè)定一定的場(chǎng)景，讓人類在操作腦控機(jī)器人的時(shí)候，認(rèn)定機(jī)器人就是自己的一部分，并且實(shí)現(xiàn)自我定位和自我認(rèn)知。此外，還有一個(gè)非常重要的工作，就是在沒(méi)有觸覺(jué)反饋的時(shí)候，比如當(dāng)一個(gè)人在使用一個(gè)只有整個(gè)手掌而沒(méi)有手指的“機(jī)器手”時(shí)，如果它碰到了窗簾，你問(wèn)這個(gè)人是不是感覺(jué)到上面有什么東西，其實(shí)他的感覺(jué)并不是這個(gè)手指的感覺(jué)，而是整個(gè)手的感覺(jué)。在以后的研究中，我們還會(huì)進(jìn)行相關(guān)的研究和探索。

目前，在機(jī)器人行業(yè)的研究中，機(jī)器人對(duì)真實(shí)物理世界的體現(xiàn)還沒(méi)有做到足夠的理解。此外，我們還應(yīng)該考慮一個(gè)更加具有實(shí)用性的問(wèn)題—信任問(wèn)題。如果一個(gè)人不信任機(jī)器人系統(tǒng)的話，這個(gè)系統(tǒng)就不會(huì)發(fā)揮作用，即便這個(gè)系統(tǒng)非常好。比如，要讓一個(gè)癱瘓的人使用機(jī)器系統(tǒng)進(jìn)行走路，如果他自身不相信系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)就不會(huì)發(fā)揮作用。因此，信任對(duì)系統(tǒng)的可用性來(lái)說(shuō)是非常重要的，我們需要讓傳感器更好地探索人的行動(dòng)，這樣，機(jī)器人才會(huì)與人類進(jìn)行密切的配合，發(fā)揮良好的作用。

（本文根據(jù)“2018世界機(jī)器人大會(huì)”現(xiàn)場(chǎng)演講整理而成，未經(jīng)演講人審閱。）