第一只成功用意念控制的机器人手臂诞生

雪儿

从大脑植入到无创

不久前，卡内基梅隆大学的研究团队与明尼苏达大学合作，在无创机器人设备控制领域取得了突破。研究人员利用无创的脑机接口（BCI）技术，开发出了世界上第一只可以成功用大脑来控制的机器人手臂，展示了持续跟踪计算机光标的能力。

BCI技術已经证明，光是使用大脑植入物感应到的信号就可以很好地控制机器人设备。当机器人装置可以高精度控制时，它们就能用来完成各种日常任务。尽管现在，BCI成功地控制了机器人手臂，并使用了有创的脑植入物，但这些植入物需要大量的医学和外科专业知识才能正确安装和操作，更不用说其高昂的成本，以及对受试者来说的潜在风险，因此，它们的使用仅限于少数临床病例。

BCI研究中的一个重大挑战是开发一种侵入性更小、甚至完全无创的技术，使瘫痪病人能够用自己的“思想”来控制他们的环境或机器人手臂。如果这种无创脑机接口技术取得成功的话，不仅会使相关的患者，甚至还包括很多潜在的普通人群受益。

然而，BCI使用无创性外部传感设备，而非大脑植入物时，接收的信号更混杂，导致目前分辨率较低，控制精度也较低。因此，当单纯使用大脑来控制机器人手臂时，无创BCI设备与使用植入物的设备相比并没有太大优势。尽管如此，BCI的研究人员还是取得了进展，他们的目光投向了一项无创技术。

卡内基梅隆大学生物医学工程系主任贺斌教授正在一步一步向这个目标迈进。“在使用大脑植入物的大脑控制机器人装置方面，目前人类已经取得了重大进展。这是一门出色的科学。但无创将是最终目标。”贺斌说，“神经解码技术的进步和无创机器人手臂控制的实际应用，将对无创神经机器人的最终发展产生重大影响。”

新技术取得了怎样的进步？

利用新颖的传感技术和机器学习技术，贺斌和他的实验室已经能够访问大脑深处的信号，从而实现对机器人手臂的高分辨率控制。凭借无创神经成像和一种新的连续追踪范式，克服了脑电信号的噪声，显著改善了基于脑电的神经解码，并促进了实时连续的二维机器人设备控制。

利用非侵入性BCI技术，贺教授以及团队首次在人体实验中发现，机器人手臂现在可以连续跟踪光标。而之前的无创意念控制机器人手臂在跟随光标移动时，动作不稳定也不连贯——就好像机器人手臂试图“跟上”大脑的指令一样——而现在，机器人手臂能够以一条平滑、连续的路径来跟随光标。

解密新技术

在《科学机器人》上的一篇题为《无创神经成像提高机器人设备控制的连续神经跟踪》的论文中，研究团队证实，其建立了一个新的框架，通过增加用户参与和训练，以及通过脑电图源成像的无创神经数据的空间分辨率，解决和改进了脑机接口的“大脑”和“计算机”组件。这篇论文表明，该团队解决这一问题的独特方法，不仅将BCI的学习提高了近60%，还将计算机光标的连续跟踪提高了500%以上。

这项技术还可以用以帮助各种不同的人，通过提供安全、无创的“精神控制”设备，让人们与他们的环境实现交互和控制。迄今为止，这项技术已经在68名身体健全的受试者身上进行了测试（每个受试者最多进行10次测试），包括虚拟设备和机器人手臂的控制，以便持续追踪。该技术直接应用于患者，团队计划在不久的将来进行临床试验。

贺教授说：“尽管在使用无创信号方面存在技术挑战，但我们将全力以赴将这种安全和经济的技术带给能从中受益的人们。这项工作代表了无创脑机接口向前迈进了重要一步。这项技术有朝一日可能会成为面向大众普及的辅助技术，就像智能手机一样。”