機(jī)械臂在腦機(jī)接口與神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用

腦-機(jī)接口(Brain-Computer Interface ,BCI) 技術(shù)形成于 20世紀(jì)70年代 (1973 年,Vidal)，是一種涉及神經(jīng)科學(xué)、信號檢測、信號處理、模式識別等多學(xué)科的交叉技術(shù)。目前，BCI技術(shù)已引起國際上眾多學(xué)科科技工作者的普遍關(guān)注，成為生物醫(yī)學(xué)工程、計算機(jī)技術(shù)、通信等領(lǐng)域一個新的研究熱點(diǎn)。

BCI 是一種連接大腦和外部設(shè)備的實(shí)時通信系統(tǒng)。他可以把大腦發(fā)出的信息直接轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動外部設(shè)備的命令，并代替人的肢體或語言器官實(shí)現(xiàn)人與外界的交流以及對外部環(huán)境的控制。換言之，BCI 系統(tǒng)可以代替正常外圍神經(jīng)和肌肉組織，實(shí)現(xiàn)人與計算機(jī)之間或人與外部環(huán)境之間的通信。

BCI 技術(shù)的核心是把用戶輸入的腦電信號轉(zhuǎn)換成輸出控制信號或命令的轉(zhuǎn)換算法。在研究工作中相當(dāng)重要的部分就是調(diào)整人腦和 BCI 系統(tǒng)之間的相互適應(yīng)關(guān)系，也就是尋找合適的信號處理與轉(zhuǎn)換算法，使得神經(jīng)電信號能夠?qū)崟r、快速、準(zhǔn)確地通過 BCI 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成可以被計算機(jī)識別的命令或操作信號。

說到底，腦機(jī)接口是個巨大的方向，我們學(xué)識有限，在此方向中，我們機(jī)械臂目前的應(yīng)用是幫助殘疾人安裝神經(jīng)假體，以恢復(fù)手臂運(yùn)動功能，而殘疾人缺失運(yùn)動功能，往往是感知功能。

《國家科學(xué)評論》（National Science Review，NSR）采訪了卡耐基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系主任賀斌。賀斌是非侵入性腦機(jī)接口領(lǐng)域的優(yōu)秀科學(xué)家，2013年，他的研究團(tuán)隊(duì)利用非侵入性腦機(jī)接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了意念控制無人機(jī)飛行并跨越障礙，2019年，他的團(tuán)隊(duì)又實(shí)現(xiàn)了意念控制下機(jī)械臂對運(yùn)動光標(biāo)的連續(xù)追蹤。在這次訪談中，賀斌談到了腦機(jī)接口技術(shù)的歷史與未來應(yīng)用方向，并著重介紹了非侵入性腦機(jī)接口相關(guān)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

在2019年將該研究成果已經(jīng)在Nature 旗下期刊 ScientificReports公開發(fā)表，題為《非侵入性神經(jīng)成像可增強(qiáng)連續(xù)神經(jīng)跟蹤，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人設(shè)備控制》(Noninvasive neuroimaging enhances continuous neuraltracking for robotic device control)。世界上首次實(shí)現(xiàn)了人腦在不植入情況下來控制機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)憑借“意念”控制機(jī)械臂在三維空間抓取、放置物體和控制飛行器飛行。
 

傳送門：www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aaw6844

通過腦-計算機(jī)接口(BCI)技術(shù)檢測心理意圖和控制外部設(shè)備，為改善包括肌萎縮側(cè)索硬化癥和脊髓損傷在內(nèi)的各種神經(jīng)疾病患者的生活打開了大門。這些認(rèn)識使患者能夠與實(shí)驗(yàn)室里的臨床醫(yī)生和研究人員進(jìn)行交流，只需簡單地想象不同身體部位的動作。BCI都恢復(fù)了曾經(jīng)失去的身體功能，包括獨(dú)立行走、手的功能操作和語言交流。

（以下圖片來源于Noninvasive neuroimaging enhances continuous neuraltracking for robotic device control）

早在2012年，浙大團(tuán)隊(duì)就在猴子腦中植入微電極陣列，運(yùn)用計算機(jī)信息技術(shù)成功提取并破譯了猴子大腦關(guān)于抓、勾、握、捏四種手勢的神經(jīng)信號，使猴子能通過自身“意念”直接控制外部機(jī)械手臂。進(jìn)一步的在2014年，浙大團(tuán)隊(duì)在人腦內(nèi)植入皮層腦電微電極，實(shí)現(xiàn)“意念”控制機(jī)械手完成高難度的“石頭、剪刀、布”手指運(yùn)動，創(chuàng)造了當(dāng)時的國內(nèi)第一。

去年1月16日，浙江大學(xué)對外宣布“雙腦計劃”重要科研成果，該校求是高等研究院“腦機(jī)接口”團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院神經(jīng)外科合作完成國內(nèi)第一例植入式腦機(jī)接口臨床研究，患者可以完全利用大腦運(yùn)動皮層信號精準(zhǔn)控制外部機(jī)械臂與機(jī)械手實(shí)現(xiàn)三維空間的運(yùn)動，同時首次證明高齡患者利用植入式腦機(jī)接口進(jìn)行復(fù)雜而有效的運(yùn)動控制是可行的。
 

浙大求是高等研究院教授王躍明說，腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究需要神經(jīng)科學(xué)、信息科學(xué)、機(jī)械工程和醫(yī)學(xué)等多個學(xué)科的緊密合作，而浙江大學(xué)綜合性大學(xué)的特征為學(xué)科交叉提供了很好的土壤。

從最初實(shí)現(xiàn)電極植入大鼠腦部的“動物導(dǎo)航系統(tǒng)”到腦機(jī)接口應(yīng)用在人的大腦上，團(tuán)隊(duì)花了十余年的時間。而今天的這項(xiàng)研究也意味著浙江大學(xué)的腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)可以躋身世界最先進(jìn)水平。

（以上摘于浙江大學(xué)求是新聞網(wǎng)）

例舉的兩個案例，表明了一樣的原理：

1. 讀取神經(jīng)活動信息

   探測中樞神經(jīng)的某些神經(jīng)元，探測器進(jìn)入到神經(jīng)活動中。

2. 傳輸神經(jīng)活動信息

3. 映射神經(jīng)活動信息

   將神經(jīng)活動信息映射為機(jī)器運(yùn)動模式，當(dāng)完成后，通過無線傳輸?shù)綑C(jī)械臂。

4. 傳輸機(jī)器運(yùn)動信息

5. 執(zhí)行機(jī)器運(yùn)動指令

   在機(jī)械臂接收到指令開始運(yùn)動，在運(yùn)動中接觸到某些物體，臂會給物體產(chǎn)生一些壓力，反之物體也會給臂一些反作用力。這些反作用力可以通過手臂上的壓力傳感器接收，再經(jīng)過無線傳輸?shù)竭_(dá)身體某一部位的皮膚上后，傳輸?shù)缴窠?jīng)系統(tǒng)，產(chǎn)生響應(yīng)的感距。

6. 感知運(yùn)動反饋信息

7. 傳輸運(yùn)動及感覺運(yùn)動反饋信息

講了這么多，機(jī)械臂的運(yùn)用無非是感受到指令到執(zhí)行指令，但這小小的一個動作，需要科學(xué)家們耗時數(shù)十年研究而得來，致敬科研工作者！同時，希望機(jī)械臂更快的走向醫(yī)療轉(zhuǎn)化，為更多康復(fù)患者帶去希望！