第一只成功用意念控制的機器人手臂誕生

雪兒

從大腦植入到無創(chuàng)

不久前，卡內(nèi)基梅隆大學的研究團隊與明尼蘇達大學合作，在無創(chuàng)機器人設(shè)備控制領(lǐng)域取得了突破。研究人員利用無創(chuàng)的腦機接口（BCI）技術(shù)，開發(fā)出了世界上第一只可以成功用大腦來控制的機器人手臂，展示了持續(xù)跟蹤計算機光標的能力。

BCI技術(shù)已經(jīng)證明，光是使用大腦植入物感應到的信號就可以很好地控制機器人設(shè)備。當機器人裝置可以高精度控制時，它們就能用來完成各種日常任務。盡管現(xiàn)在，BCI成功地控制了機器人手臂，并使用了有創(chuàng)的腦植入物，但這些植入物需要大量的醫(yī)學和外科專業(yè)知識才能正確安裝和操作，更不用說其高昂的成本，以及對受試者來說的潛在風險，因此，它們的使用僅限于少數(shù)臨床病例。

BCI研究中的一個重大挑戰(zhàn)是開發(fā)一種侵入性更小、甚至完全無創(chuàng)的技術(shù)，使癱瘓病人能夠用自己的“思想”來控制他們的環(huán)境或機器人手臂。如果這種無創(chuàng)腦機接口技術(shù)取得成功的話，不僅會使相關(guān)的患者，甚至還包括很多潛在的普通人群受益。

然而，BCI使用無創(chuàng)性外部傳感設(shè)備，而非大腦植入物時，接收的信號更混雜，導致目前分辨率較低，控制精度也較低。因此，當單純使用大腦來控制機器人手臂時，無創(chuàng)BCI設(shè)備與使用植入物的設(shè)備相比并沒有太大優(yōu)勢。盡管如此，BCI的研究人員還是取得了進展，他們的目光投向了一項無創(chuàng)技術(shù)。

卡內(nèi)基梅隆大學生物醫(yī)學工程系主任賀斌教授正在一步一步向這個目標邁進。“在使用大腦植入物的大腦控制機器人裝置方面，目前人類已經(jīng)取得了重大進展。這是一門出色的科學。但無創(chuàng)將是最終目標?！辟R斌說，“神經(jīng)解碼技術(shù)的進步和無創(chuàng)機器人手臂控制的實際應用，將對無創(chuàng)神經(jīng)機器人的最終發(fā)展產(chǎn)生重大影響?！?/p>

新技術(shù)取得了怎樣的進步？

利用新穎的傳感技術(shù)和機器學習技術(shù)，賀斌和他的實驗室已經(jīng)能夠訪問大腦深處的信號，從而實現(xiàn)對機器人手臂的高分辨率控制。憑借無創(chuàng)神經(jīng)成像和一種新的連續(xù)追蹤范式，克服了腦電信號的噪聲，顯著改善了基于腦電的神經(jīng)解碼，并促進了實時連續(xù)的二維機器人設(shè)備控制。

利用非侵入性BCI技術(shù)，賀教授以及團隊首次在人體實驗中發(fā)現(xiàn)，機器人手臂現(xiàn)在可以連續(xù)跟蹤光標。而之前的無創(chuàng)意念控制機器人手臂在跟隨光標移動時，動作不穩(wěn)定也不連貫——就好像機器人手臂試圖“跟上”大腦的指令一樣——而現(xiàn)在，機器人手臂能夠以一條平滑、連續(xù)的路徑來跟隨光標。

解密新技術(shù)

在《科學機器人》上的一篇題為《無創(chuàng)神經(jīng)成像提高機器人設(shè)備控制的連續(xù)神經(jīng)跟蹤》的論文中，研究團隊證實，其建立了一個新的框架，通過增加用戶參與和訓練，以及通過腦電圖源成像的無創(chuàng)神經(jīng)數(shù)據(jù)的空間分辨率，解決和改進了腦機接口的“大腦”和“計算機”組件。這篇論文表明，該團隊解決這一問題的獨特方法，不僅將BCI的學習提高了近60%，還將計算機光標的連續(xù)跟蹤提高了500%以上。

這項技術(shù)還可以用以幫助各種不同的人，通過提供安全、無創(chuàng)的“精神控制”設(shè)備，讓人們與他們的環(huán)境實現(xiàn)交互和控制。迄今為止，這項技術(shù)已經(jīng)在68名身體健全的受試者身上進行了測試（每個受試者最多進行10次測試），包括虛擬設(shè)備和機器人手臂的控制，以便持續(xù)追蹤。該技術(shù)直接應用于患者，團隊計劃在不久的將來進行臨床試驗。

賀教授說：“盡管在使用無創(chuàng)信號方面存在技術(shù)挑戰(zhàn)，但我們將全力以赴將這種安全和經(jīng)濟的技術(shù)帶給能從中受益的人們。這項工作代表了無創(chuàng)腦機接口向前邁進了重要一步。這項技術(shù)有朝一日可能會成為面向大眾普及的輔助技術(shù)，就像智能手機一樣?！?/p>