用思维控制机器人

石菲

你能想象吗？现在可以通过识别大脑头皮层电流变化和血液的流动信息，实现由人的大脑意念来控制机器人。未来，思维控制机器人可以在医疗、智能家电等领域发挥作用。

Dean Aslam博士是微观和纳米技术实验室（MANTL）主任和密歇根州立大学电气和计算机工程学教授，IEEE高级会员。目前正在从事思维控制机器人的研究工作，《中国信息化》独家采访了Dean Aslam博士，为您揭秘思维控制机器人的前世今生。

让机器人成为“代理士兵”

Dean Aslam博士介绍说，当我们想到某个人或某件事情的时候，我们的思维过程将通过触发大脑前额叶的神经元启动。为使大脑得到更多细节，需要触发大脑不同部位的神经元。因为部分神经元活动会产生微量的电流，任何思维过程都会产生一种称为脑电波的电磁波在整个大脑环游。

当这些电磁波“流出”大脑，它们将被脑电图描记传感器（EEG）检测到。检测到的信号频率反映了我们的大脑活动状态，比如专注和放松等。如果在装置在头部的EEG系统和装置在机器人上面的控制电路之间建立了无线连接，人脑传达的信息就可以用来操控机器人了。

思维操控的假肢运动起来就像真的肢体一样。即使在我们睡觉的时候，智能家居装置依然能够通过思维控制的方式自动开关。而且这个系统是非侵入性的，因为它们可以识别前额10至100微伏的非常微弱的信号。

人类大脑所发出的电磁波（介于0.3～60赫兹）通常能够被EEG中使用的大量电极（21-64个电极）检测到。虽然明尼苏达大学的研究人员已经展示过一个使用64个电极的思维控制四轴飞行器，但这样的系统非常复杂和昂贵。

其实，这种意念控制技术其实在2007年便已取得了较大突破，来自美国华盛顿大学的学生曾开发出了一套新系统，可以让使用者通过思维来控制机器人抓取并搬运物体。不过当时所使用的感应器相当复杂。

2009年英国《每日邮报》也报道过一家日本公司开发的新技术，是通过识别大脑头皮层电流变化和血液的流动信息，实现由人的大脑意念来控制机器人。当时这种技术已可以实现比如打开汽车车门或者关闭家里的暖气这样的简单动作。不过当时该日本公司的技术人员称，由于读取数据不稳定，所以这项技术暂时还不能在现实生活中使用。比如使用者如果受外界影响稍一分心，就会出现控制失误，导致机器人行为失控。而且每个人的大脑构造不同，每一位使用者在戴上感应器进行试验之前，科研人员都至少需要花上两至三个小时来研究使用者的大脑构造，才能够令机器人更准确获得相应的人脑信息。

而美国国防部先进研究项目局2013年预算报告中披露，美国正在进行一项名为“阿凡达”的研究项目，打算在未来打造出像电影《阿凡达》中一样可用人脑远程控制的“机器人军团”。其最终目标是实现让人类士兵用思维控制类人机器人参战，使真人能够远离危险的战场。

在我国，2013年首台思维操控机器人在青岛诞生。“出生”在青岛的国内首台意念控制机器人，是一套集成了机械电子、康复医学、虚拟现实等多种高新技术的新型康复训练系统。

目前，密歇根州立大学微纳米技术实验室的研究者利用3D打印技术，使脑电图电极、电子产品的包装和电源实现了小型化。他们的思维控制系统能够被安装在帽子或者假发上，用于控制机器人和智能家居家电等设备。新的脑电图系统也将有助于研究常见的神经中枢疾病，这是通过使用革新性的、便宜的、非侵入性的并且穿戴舒适的个人整合医疗保健微系统来实现的。

下一步商业化

Dean Aslam透露说，在思维操控机器人的实验中，机器人识别指令的正确率超过90%，如果应用了复合的控制信号（如注意力水平、眨眼、肌肉激活度等），这个准确率可以被提升到接近100%。

除了让使用者操控假肢、无人机和智能家居，这项技术一个主要的贡献是可以应用在个人保健。例如可以用来监测睡眠，测量深度睡眠，快速眼动睡眠（又称异相睡眠），醒来的次数。而实现的可能性将远远超出预期。人类的大脑是感官的集合，如果我们可以全天候监测大脑电波，便可以实现个人化的心理和身体状态监测。在不久的将来，我们将能够通过设备监测大脑状况来估算幸福感。

“我一直与研究精神系统疾病（如帕金森氏症和老年痴呆症）和某些老年疾病（如痴呆等）的研究者保持联系，他们均表示对于脑电波技术的应用前景非常感兴趣。”谈到思维控制机器人未来的应用价值，Dean Aslam说。

目前，脑波相关的技术大多应用在医疗领域，例如治疗癫痫等脑部疾病的病人，及神经系统疾病的早期预测。此外，已经有多个科研机构宣称开发出了可以利用思维控制的义肢，帮助瘫痪病人完成简单动作。不断拓展新的应用领域，或许将成为智能机器人未来发展的趋势。思维控制机器人将运用于操作智能家居系统，人机界面，无人机，军事及太空探索等领域。

值得注意的是，虽然人类对于脑波的研究已经有60多年，但是相关的科研成果一直没有能够进行大规模的商业化应用。一方面是由于人的大脑过于复杂，人类对于它的研究还比较初级，另一方面，脑波测量的困难也成为阻碍技术进一步发展的重要原因。人的大脑被紧紧包裹在头盖骨当中，头骨屏蔽掉了大量信号，能够传到外面的已经相当微弱，因此从外界测量就变得格外困难。

因此，目前思维控制机器人的功能还需要进一步完善，面临的主要挑战在于两点。电极、控制电子元件、电池和包装的小型化和能否生产出廉价的、非侵入性以及灵活的脑电图微系统。

在应用方面，下一步Dean Aslam博士会持续在以下四个领域的研究：思维控制的假肢；思维控制的娱乐玩具和益智玩具；思维控制技术如何帮助神经系统疾病的预防和治疗，包括帕金森综合症，阿尔茨海默症，注意缺陷障碍、注意缺陷多动障碍，老年人疾病等；幸福感和自我意识的测量。