腦機(jī)接口消費(fèi)級創(chuàng)新應(yīng)用

許書旭 陳建成 林松華

腦機(jī)接口介紹

腦機(jī)接口（Brain Computer Interface，BCI）技術(shù)通過采集和解析大腦生物電信號，使大腦與外部世界建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)大腦與外部世界的交互。簡單來說，腦機(jī)接口就是一種能夠?qū)⒋竽X和電子設(shè)備連接起來的通信系統(tǒng)，從而讓我們能夠用意念來控制計算機(jī)、機(jī)器人、假肢等外部設(shè)備，或者讓外部設(shè)備向我們的大腦傳輸信息，如圖像、聲音、觸覺等。

目前腦機(jī)接口根據(jù)腦電信號采集電極的部署位置可以分為4 種，包括侵入式、非侵入式、半侵入式和介入式。侵入式腦機(jī)接口，將電極植入大腦皮層或大腦深部位置，因?yàn)闆]有顱骨和頭皮的阻隔，可以得到更精確、更復(fù)雜、質(zhì)量更高的腦電信號。但是，它需要打開顱腔，手術(shù)風(fēng)險高、成本高、可能引起免疫反應(yīng)或感染等并發(fā)癥，目前主要用于醫(yī)療領(lǐng)域。半侵入式腦機(jī)接口，將電極植入在大腦皮層與頭皮之間，相較侵入式腦機(jī)接口，免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)發(fā)生率均較低，安全系數(shù)較高。介入式腦機(jī)接口，將腦電傳感器植入腦部血管壁，無需開顱，卻能得到較高質(zhì)量的腦電信號，中國團(tuán)隊于2023年5月4日在北京成功實(shí)現(xiàn)全球首例非人靈長類動物介入式腦機(jī)接口試驗(yàn)。非侵入式腦機(jī)接口，將電極置于頭皮外部，對人體創(chuàng)傷最小，采集方法最為簡單，可以制作成可穿戴設(shè)備，但腦電信號空間分辨率較差，不能有效利用高頻信號。

腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作四川中心吳瓊樂以Incopat 專利數(shù)據(jù)庫為來源分析了2000年以來腦機(jī)接口專利數(shù)據(jù)（其中2021/2022年因?qū)＠暾?8 個月滯后期，數(shù)據(jù)未完全統(tǒng)計），得出結(jié)論：2006年前，腦機(jī)接口技術(shù)處于萌芽狀態(tài)，每年的專利申請量不到40 件；2007-2012年，腦機(jī)接口技術(shù)申請量逐年增加，從41 件增加到168 件，處于緩慢增長期；2013年至今，腦機(jī)接口技術(shù)申請總量明顯增多，從217 件增加到500件以上，處于快速增長期[1]。

圖1 腦機(jī)接口專利申請趨勢

根據(jù)百度搜索指數(shù)顯示，2023年以來，平均每個月都有一次關(guān)于“抑郁癥”的聚焦，其中7月份關(guān)于“抑郁癥”搜索指數(shù)量同比環(huán)比暴漲超2000%，并且在之后一直維持在較高的關(guān)注度。與此同時，7月3-5日在天津舉辦的“首屆腦-機(jī)接口大會”評選發(fā)布了腦-機(jī)接口的“五個十”，即：十大科學(xué)問題、十大關(guān)鍵技術(shù)、十大典型產(chǎn)品、十大典型應(yīng)用場景和十大關(guān)鍵詞，其中第九個科學(xué)問題：“如何基于腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)情感障礙疾病的有效診療?”指出，腦機(jī)接口技術(shù)通過對患者的大腦活動和情緒狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和分析，有望發(fā)現(xiàn)抑郁癥等情感障礙疾病的生物標(biāo)記物，從而提供更加客觀和精準(zhǔn)的診斷指標(biāo)。進(jìn)一步，基于生物標(biāo)記物和神經(jīng)反饋構(gòu)建個性化方案，為抑郁癥等情感障礙疾病提供有效治療。

圖2 2023年1-8月關(guān)于“抑郁癥”的搜索指數(shù)

圖3 2023年上半年“腦機(jī)接口”資訊指數(shù)

類似的事件暴發(fā)頻率越來越高，根據(jù)“腦機(jī)接口”的資訊指數(shù)可以看出，2023年上半年出現(xiàn)十幾次的關(guān)注聚焦。諸如“抑郁癥”這類精神疾病，目前普遍存在無法客觀定性、難以有效治療等問題，而“腦機(jī)接口”技術(shù)正在逐步攻克這些問題。不僅如此，“腦機(jī)接口”技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)出現(xiàn)一些在臨床展開應(yīng)用的實(shí)例，更有部分產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)消費(fèi)級應(yīng)用。它已經(jīng)不是存在于《阿凡達(dá)》電影中的科學(xué)幻想，而是已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，走進(jìn)醫(yī)療場景，開始服務(wù)于生活家居。

消費(fèi)級腦機(jī)接口產(chǎn)品

在“首屆腦-機(jī)接口大會”發(fā)布的十大典型產(chǎn)品中（見表1），7 個屬非侵入式產(chǎn)品，可見，雖然侵入式腦機(jī)接口更容易獲取高質(zhì)量腦電信號，但在實(shí)際應(yīng)用中，非侵入式產(chǎn)品仍然占據(jù)主流地位，而且非侵入式產(chǎn)品在性能上也已經(jīng)能適配腦機(jī)接口典型的應(yīng)用場景。

表1 腦機(jī)接口十大典型應(yīng)用場景與十大典型產(chǎn)品

根據(jù)Data Bridge Market Research 數(shù)據(jù)顯示，2022年腦機(jī)接口市場規(guī)模為17.40 億美元，預(yù)計到2030年將達(dá)到56.92 億美元[2]?！赌X機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域應(yīng)用白皮書（2023）》指出，如果從腦機(jī)接口可影響到的應(yīng)用領(lǐng)域來看，不論是醫(yī)療、教育還是消費(fèi)，都將帶來遠(yuǎn)超于十幾億美元的巨額市場空間[3]。

1.個性化學(xué)習(xí)教育和親子溝通

在學(xué)習(xí)教育及溝通活動中，評估精神集中、注意力和認(rèn)知水平，有助于及時得到目標(biāo)身體、生理和心理的客觀反饋。2020年2月，麻省理工學(xué)院著名神經(jīng)科學(xué)家Desimone 教授在《神經(jīng)元》（Neuron）發(fā)表人類腦磁圖MEG 研究，證明了神經(jīng)反饋訓(xùn)練與注意力提升的因果關(guān)系，并且發(fā)現(xiàn)神經(jīng)反饋訓(xùn)練可以是一種受訓(xùn)者不需要理解規(guī)則的無意識學(xué)習(xí)。目前市場上腦機(jī)接口產(chǎn)品通過設(shè)計不同的反饋機(jī)制與用戶進(jìn)行互動，可以對用戶進(jìn)行注意力、反應(yīng)能力、自控能力等綜合訓(xùn)練。

2.心理健康檢測

清華大學(xué)張丹等在其發(fā)明專利《一種基于腦機(jī)接口技術(shù)的人格特質(zhì)測量方法及設(shè)備》中，通過獲取被測者在觀看誘發(fā)素材時產(chǎn)生的腦電數(shù)據(jù)，對被測者人格特質(zhì)進(jìn)行客觀的測量，該測試可以擺脫職業(yè)測試、人格測試等人格評估方法過分主觀的現(xiàn)狀。除此之外，基于大腦情緒變化的腦電反應(yīng)機(jī)制，腦機(jī)接口可以客觀有效地檢測出人主觀情緒的變化，與此同時還能進(jìn)行諸如癲癇、多動癥等精神疾病的病例監(jiān)測[4]。

3.游戲控制與玩家狀態(tài)感知

腦機(jī)接口在游戲娛樂領(lǐng)域已有多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通常用于為游戲提供輸入，從而擺脫對中間設(shè)備（鼠標(biāo)、鍵盤、游戲手柄和游戲控制器）的依賴。游戲本身的娛樂屬性、激勵機(jī)制、挑戰(zhàn)模式，可以提高交互過程中的樂趣和用戶的積極性，極大地改善傳統(tǒng)腦機(jī)接口訓(xùn)練過程枯燥乏味的缺點(diǎn)。

2022年，被戲稱為“老頭環(huán)”的動作類角色扮演游戲（RPG）在全球賣出超過2000 萬份，斬獲無數(shù)游戲大獎，成為全世界游戲迷心中的神作。游戲女主播Perri Karyal 首次成功展示了她可以完全通過腦電波外設(shè)，在Xbox 上游玩《艾爾登法環(huán)》，無需任何控制器的輔助。類似地，還有腦控玩魔獸世界、腦控大航海、腦控?zé)o人機(jī)及腦控賽車等。在游戲市場，腦控設(shè)備的可行性已經(jīng)被反復(fù)驗(yàn)證。

4.安全監(jiān)測

在一些特殊場景，如煤礦、老人獨(dú)居等，當(dāng)危險發(fā)生時，當(dāng)事人本身并不具備發(fā)出警報的能力，但其情緒變化和大腦活動，卻能反映出其所處境況異常。傳統(tǒng)的手段，需要人為觸發(fā)報警，而腦機(jī)接口技術(shù)，通過對當(dāng)事人腦電的監(jiān)測，即可發(fā)現(xiàn)危險信號。清華大學(xué)方東平等人在《施工工人的疲勞程度計算方法及系統(tǒng)》中，通過腦機(jī)接口智能安全帽獲取施工工人的預(yù)設(shè)位點(diǎn)的腦電信號，輸出施工工人的疲勞程度客觀評估數(shù)據(jù)[5]。

5.駕駛中駕駛?cè)藛T監(jiān)測和車內(nèi)控制

我國汽車行業(yè)增長迅猛，2022年新領(lǐng)證駕駛?cè)私?000 萬人，汽車已經(jīng)成為百姓日常出行必不可少的交通工具之一。傳統(tǒng)智能駕駛輔助系統(tǒng)基于視覺或車載傳感器對駕駛員面部定位，獲取其眼動、嘴動信息以及頭部位置等特征，可對其疲勞狀態(tài)進(jìn)行判定，減少交通事故發(fā)生。將腦機(jī)接口應(yīng)用于智能輔助駕駛領(lǐng)域，能有效監(jiān)測駕駛員駕駛意圖和狀態(tài)，降低事故發(fā)生率，此外，殘疾人也能通過人機(jī)互動實(shí)現(xiàn)道路駕駛。

6.元宇宙人機(jī)交互

2021年作為“元宇宙元年”，是元宇宙開始火爆的一年。廈門盈趣科技股份有限公司總裁助理兼技術(shù)戰(zhàn)略總工陳建成在《元宇宙：數(shù)字化時代新商業(yè)與新生態(tài)》中指出，腦機(jī)接口將助力打破虛擬與現(xiàn)實(shí)之間的壁壘，成為元宇宙的下一個入口[6]。天津大學(xué)醫(yī)工院副院長許敏鵬認(rèn)為：“如果能實(shí)現(xiàn)高效的腦控鍵盤和腦控鼠標(biāo)，那么消費(fèi)級的腦機(jī)接口產(chǎn)品也就離我們不遠(yuǎn)了[7]”，2021年，天津大學(xué)與華為合作，研制出了無感視覺刺激、極微弱腦電特征的腦控鍵盤。2022年，天津大學(xué)實(shí)現(xiàn)了非侵入式的腦控鼠標(biāo)，被訓(xùn)練者經(jīng)過15 分鐘的訓(xùn)練，可以實(shí)現(xiàn)簡單的腦控追逐目標(biāo)的二維控制[8]。

結(jié)束語

1975年，柯達(dá)制造出全球首部數(shù)碼相機(jī)，也早已意識到數(shù)碼相機(jī)將替代膠片相機(jī)，然而，卻因?yàn)楫?dāng)時膠片相機(jī)市場更大而錯失機(jī)會，短短20年間被反超乃至消亡。2007年的諾基亞也步其后塵，其衰亡時間更短。一項(xiàng)革命性技術(shù)從出現(xiàn)到完成對上一代技術(shù)的替代，往往是迅猛而突然的。如今，腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)顯現(xiàn)出對傳統(tǒng)人機(jī)交互方式無與倫比的優(yōu)勢，國家、社會的注意力也已經(jīng)開始聚焦，那么腦機(jī)接口的“iPhone 時刻”就不會遠(yuǎn)了。腦機(jī)接口技術(shù)的突破，將伴隨其上下游產(chǎn)業(yè)鏈快速革新，牽引新的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)遷移與落地。