戴脑电图帽控制机械臂写汉字打破人机界限？

戴脑电图帽控制机械臂写汉字的人和机器之间的界限被打破了吗？

如果生活在未来的人看今天的科学视频记录，很可能会被眼前的帽子逗乐。

它看起来像游泳帽，表面覆盖着指甲大小的金属片，上面镶嵌着电极，用来采集脑电信号。戴这样的脑电图采集帽需要一点时间。为了让那些金属制品更好的通过骨骼、皮肤、体液来了解人脑，研究人员不得不想办法缩小他们的距离。——.填充糊状电解质凝胶，使头皮与金属电极接触更紧密。

戴这顶帽子听起来不舒服。但现在，它带来的魔力肯定可以抵消这种不适。它肩负着刺探人脑秘密的使命。自上世纪末以来，人们已经将捕获的人脑信号转化为指令，操纵外部设备实现“精神控制”。

2021年春节前，天津大学神经工程队两名95后学生戴着脑电图帽，一起想象一个汉字。他们的脑电图信号被捕获并转换成指令，拿着刷子的机械臂在红纸上写下“符”字。

这是世界上第一次用多人合作控制机械臂，用意念“写”汉字。

一项新的世界纪录诞生了

23岁的女研究生罗瑞欣是“符”一词的作者之一。要让“电脑朋友”更好的了解自己，就像人类一样，要花时间相处。

交朋友的方式是直接，沉默。洛瑞戴着一顶装有64个电极的帽子，坐在电脑屏幕前，光标闪烁，眼睛一个接一个地盯着216个点至少5秒钟。电脑瞬间记录下她看不同光标时产生的不同脑电波。

当她想试着写一条横线时，只需要用眼睛在屏幕上“画”一条横线，“电脑朋友”就可以从她眼睛在不同点的游走轨迹，分析脑电波产生的变化，进而了解她的意图。

她还需要照顾“电脑朋友”的反应速度。这个“写”的太快，对方来不及回应。她需要找出“朋友”的节奏，同时让自己在想象笔画的时候多加注意。大约15分钟后，双方信息交流的准确率可以达到90%以上。

27岁的生物医学工程博士生韩进就是这种双人脑控机械臂书写系统的构建者。他解释说，实现大脑控制的前提是让机器理解人的思维意图。

机器学习和数学建模方法可以在不同的脑电波和不同的思维任务之间建立映射模型，识别不同的思维思路，即“认同”一个人和一台计算机都理解的交流方式。每个人的脑电图特征都是独特的。“同一个人在不同时间、不同状态下完成同一项任务时，脑电波是不同的。”韩进说，为了保证任务的准确性，每次任务前都要进行人机训练，“互相熟悉”

一般来说，受试者需要先做出一系列不同的动作，让计算机读取电极传来的数据，大致了解什么样的动作意图会触发什么样的脑电波。下一次，当同样的脑电波出现时，电脑就知道该做什么动作了。

2018年，韩进第一次尝试在实验室用脑子打字。“我觉得这里，那边屏幕上有字母，感觉特别科幻。”一年后，“查娜”脑控智能手臂机器人系统在该实验室诞生。

写汉字比写信难多了。罗瑞欣和队友将“福”字按笔画拆分成几个部分，在他们之间平分。她负责控制左部首和右口头字，而另一个人负责右上横和下田字。

两个“编剧”盯着屏幕上的每一笔。从开始到结束，光束直接照射到视网膜上，大脑中看起来像章鱼的神经元受到刺激，从而诱发相应的反应

大脑就像俄罗斯娃娃的核心一样，被一层层的组织包裹着，头骨的导电性很差。“作者”一定要足够注意，尽量减少肢体运动，从而产生“穿透”的脑电图信号，通过脑膜、脑脊液、颅骨……到达头皮上的电极。

一台电脑可以同时和很多人“说话”，可以节省“说话”的时间。与单人脑控制相比，两人合作机械手要解决的问题更为复杂，需要设计合理的任务分配策略，使两人以最高的效率完成控制任务，不会相互冲突。

罗瑞新和队友发出的精神指令同时被电脑接收，然后指令机械臂按照效率优先的顺序完成书写。整个写作过程需要3分钟，是单人的两倍。

“在人类活动中，有许多复杂而微妙的任务不是一个人能完成的，需要许多人共同努力。”韩进说，这一次单个机械手由两个人控制，未来很多人和多个机械手可以一起完成一些更重或者更精细的任务。比如宇航员在外太空控制机械臂完成机械维修。

长期以来，大脑控制技术面临的一个关键问题是如何在保持较高速度的同时完成更多的任务。“快”和“好”之间有着天然的矛盾。天津大学医学工程与转化医学研究所副教授许表示，在以往的研究中，最多可以完成(脑机接口)指令84条，但单个指令的识别时间超过8秒；如果识别时间缩短到0.8秒，只能完成40条指令。

天大的团队结合了两种常见的脑波范式，——P300和SSVEP，这两种范式在“思维类型学”中很常见。两者在稳定性和速度上都各有优势，一是精细区分微弱的脑电特征，二是快速破译解码。这一次，他们创下了头皮脑电BCI在线控制216条指令的世界纪录，实现了BCI信息输出模式从“拼”到“写”，从世界单人到多人的巨大变革。被打破的旧世界纪录是108条指令，也是他们两年前创下的。

窥视“三磅宇宙”的小窗口

此时距离人类远古祖先发明石器已经有两三百万年了。聪明的大脑帮助人类解锁更广阔的世界，而大脑本身一直是科学探索的秘密。

家用浩瀚无垠的宇宙形容大脑的复杂，它也因此被称为“三磅宇宙”(3磅约等于1.36千克，接近成年人脑的重量)。天津脑科学与类脑研究中心主任、天津大学科研院常务副院长明东表示，脑科学是人类认识自然的“最后的疆域 ”。

仅3磅重的大脑，是宇宙中已知的最复杂的物体，神经工程师将其描述为“目前已知信息密度最大、结构化程度最高而且自我组织最完整的东西”。它质地类似果冻，运行时功率仅为20瓦，启动一台性能同样强大的计算机需要2400万瓦。

在某种意义上，你从镜子里看到的自己不过是那个3磅重“果冻”的一个载体。在美国影片《黑客帝国》里，只要在脑后插管，人就可脱离身体直达大脑的虚拟世界；《攻壳机动队》的主人公素子实现了全身机械化义体，唯一保留的只有一颗人类大脑。不管形态如何，脑机接口(brain-computer interface, BCI)已成为人类窥视“三磅宇宙”的一扇窗。

这样的设想来源于大脑运行的原理。许敏鹏介绍，大脑由大概1000亿个神经元构成，这个数量与银河系的恒星数量大致相仿。它们形成一个难以想象的巨大神经网络，是人产生思维活动的物质基础。

当我们思考的时候，大脑神经元会同步放电，这些信号被称为脑电波。脑电波中蕴藏人类思维活动的意识信息，脑中冒出不同的念头，脑电信号就会随之变化。理论上，只要人能够清楚脑电波与思维活动的直接关系，就能够通过识别脑电波反推出人的想法。

脑机接口正是通过研究脑电波来解读人类想法的技术。许敏鹏解释，人脑中的想法目前是通过外周神经系统、肌肉组织或语言等方式表达出来，而脑机接口则绕过这些传统的路径，直接在大脑和计算机之间建立联系。“再说直白一点，我们的脑子里想什么，通过脑机接口，计算机就能够直接读取出来。”

　　打破人与机器的界限？

两个人集中全部注意力、花去3分钟写出一个汉字，显然还无法让人满意。

上世纪60年代，美国航空航天局(NASA)的科学家首次提出“赛博格”(Cyborg)一词，即人与电子机械的统一体。漫威电影中半人半机械的超能人、《机械战警》中的机械义肢都在彰显着一种欲望——人要打破与机器泾渭分明的界限。

机器能弥补残障人士生理缺陷，成为其身体的一部分。2014年，一位高位截瘫少年控制机械外骨骼为巴西世界杯赛开出第一脚球。

那一年，天津大学的神经工程团队自主研发出“神工系列”人工康复机器人系统，并在多家医院投入临床使用，通过脑控技术帮助中风偏瘫患者恢复运动功能。中风患者的身体不听使唤，但体内中枢神经系统原有储存的运动“流程图”可能保存完整或部分存在。在传统的康复治疗中，大脑的参与程度低，难以实现坏损脑区及周围脑区的功能重建，是影响康复效果的重要因素之一。

有一种疗法，是让患者在大脑中反复进行肢体运动想象，不断唤醒相关运动记忆，以激活大脑相关区域，提高运动功能。但长期以来，这种方法缺乏客观评价指标，无法实时监测大脑活动状态，也难以及时进行效果反馈。

为了改善这种疗法，天大团队的“神工”脑机接口检测患者在进行运动想象时的运动意图，触发模拟神经冲动的电刺激，促使肌肉主动收缩，又带动骨骼和关节自主动作。这就相当于在患者体外仿生构筑了一条完整的人工神经通路，形成一个“脑-机-人体”的信息环路。

在天津市人民医院，一位85岁的老人接受了运用脑机接口技术的治疗。他因脑卒中导致右侧手脚瘫痪。辅助康复的研究员说，新疗法对老人腿部的影响明显。“他之前可能只能站一两分钟，现在能站五六分钟了，行走50米左右。”

机器破译并传输大脑指令，再把指令交给身体执行。原理看似简单，实施起来则异常困难。按照设想，第三代“神工”将化作一个体积更小的可穿戴便携设备，尝试辅助患者完成更多复杂而精细的肢体动作，同时监测大脑状态，及时调整康复训练模式。

2016年，天大团队联合中国航天员中心研制了国际首套空间站在轨脑机接口系统，成功完成人类历史上首次太空脑机交互实验。明东认为，这是在太空环境中最理想的人机交互方式。脑控技术能让航天员无需说话和动作就能发出操作指令，还能监测其脑力负荷等神经功能状态。

今年，该团队又率先实现了对无人机“4自由度”、12指令的连续实时脑控。脑控智能轮椅、脑控打字机、脑控智能义肢都发展中。韩锦猜想，未来的脑机接口，体积小到完全可以埋在头发下面，让别人看不见。它可以让大脑与手机相连，接打电话；也可以和家里的智能家电相连，开灯、拉窗帘，输入防盗门密码等。

脑洞再大一点，也许未来还可以实现“脑对脑”心灵相通。各种担心也随之而来，听上去最可怕的是，“假如我们的意识被机器绑架或人为操控怎么办”。许敏鹏表示，目前人机交互的前提是双方遵守共同的约定，如果人类不愿意被读取大脑信息，那么连接就无法进行，“我们只迈出了很小的一步”。

正如火带来文明，也带来危险。明东认为：“人机技术一直在进化，未来人一定都会和机器产生有效连接。”他特别喜欢一句话，当人类挥起锄头的那一瞬间，锄头已经成为人身体延长的一部分了。