黑客帝国 阿凡达电影场景成现实

只用眼睛说我爱你

来源:《中国青年报》2017-04-19 秦珍子


没有一点点防备,电路就这样接通。一头是我的大脑,另一头是电脑。

我大脑发出的电信号平淡地排列在屏幕上,皱皱巴巴,很像心电图。

“闭眼。”实验员说。我乖乖地合上眼睛,很快听见“睁眼”的指令。然后我惊奇地发现,刚刚那几秒钟黑暗,以一种独特的波浪形状呈现在脑电图中。

我又接到了“咬牙”的指令。这一次,我眼睁睁看着那些微弱震荡的线条出现了剧烈而紧密的起伏,宛如一簇荆棘,充满“仇恨”的味道。

闭眼和咬牙的测试说明,我大脑和电脑的沟通没啥问题,实验可以正式开始了。

“它真能捕捉到我的心意吗?”我犯起了嘀咕,偷偷看了一眼微胖质朴的实验员。

我是一只“小白鼠”,正在清华大学医学院的脑机接口实验室接受测试。

必发88,一进门,实验员杨晨博士连寒暄也省了,指了指门口的水池子让我洗头。

吹干头发后,我戴上了一顶“脑电帽”,很像游泳帽,能与头颅良好贴合。上面布满小而圆的黑色电极,杨晨用针管吸取白糨糊般的“导电液”,注入部分电极,一阵凉意袭来,这表明,导电液已到达我头皮。

纤细的电线从电极旁伸出,汇聚为一条粗壮的主线。在测试中,这条主线就是我的“脊髓神经”,将大脑发出的指令传入电脑,最终实现语言拼写。

实验室的灯熄灭了,我眼前的屏幕出现40个白色方格,每个方格中心有一个字母、数字或是标点符号。

移动的红色光标指哪里,我就盯着哪里,计算机通过捕捉我视觉产生的脑电信号,猜出我看的字符,并和光标指示的字符进行比对。

程序随机给出80个字符,根据我的注视,电脑猜中了74个,正确率达到92.5%。

原理非常巧妙。写着字符的每个方格,闪烁频率都不一样,我看的是字符,真正引发脑电波动的则是频闪。这原理的应用性又极为广泛,因为全人类的眼睛,看着特定频闪时,脑电信号都是一致的。

“你信号比较强,是每个实验室都想要的研究对象!”杨晨忍不住夸了我一句。我觉得自己简直要上天了,浑然忘了这个90多分,是人家的成绩。

接着,程序不再进行提示,我可以随意转动眼珠,写我所想。也就是在那一刻,我忽然犹豫了。写什么呢?

全世界脑机接口研究,服务目标都非正常人群。高位截瘫者不能举杯喝一口水,渐冻症患者无法开口说一句话,所以才需要将他们依然活跃的大脑与电脑连接起来,实现机械控制或语言表达。

我忍不住做了无数假设。一个失去双臂的小男生也许很想开汽车。一个长期瘫痪的母亲也许很想给孩子掖一掖被子。一个渐冻人丈夫也许很想对妻子说我爱你。当他们坐在这套设备前,渴望表达的程度应该远远超过我。他们到底会说什么?会发出什么指令?

杨晨给我讲了一个故事。

有一次,实验团队找到一位话都说不了的瘫痪者,就抱着设备去了人家。接通脑电信号后,这位病人用拼音写出了想对家人说的话。

“我爱你们!”我抢着说。

“我右手疼,送我去医院。”杨博士说。接着,患者家属便请实验团队离开,因为,“他要总这么说,不得折腾死我们?”

看起来,生活比实验要科幻得多。我赶紧擦了擦脑袋里满溢的“狗血”,决定写一句踏踏实实的话。

适逢肚子有点饿,晚饭又还远的尴尬时点。我的眼睛先紧紧盯住W,几乎就在一瞬间,输入栏出现了这个字母。然后我开始看向O、X、I、A、N、G……一共15个字母,随着我眼神的移动、聚焦,准确而迅速地出现在输入栏,而我几乎没有丝毫不适感。

我非常惊讶,如果说测试阶段还存在电脑“作弊”的可能,那么这15个字母从来就没飞出过我的大脑。我很激动,以至于眼珠子对着屏幕乱看一气。但说来有趣,因为“程序”能大致识别输入者是专注打字还是无意一瞥,所以并没有打出一串无意义的字符。

“我也想吃。”杨晨冷冷地说。我写的是“我想吃驴火”的汉语全拼字母,看来博士也饿了。

离开实验室前,杨晨告诉我,他们仍需要大量受试者,1小时还给50元报酬:“科学研究不容易,你多帮我带带人。”

未来,这间脑机接口实验室,还将在自闭症儿童的沟通与治疗方面进行更多研究与尝试。

这让我觉得,很快,我又要来这里洗一次头了。

编辑:华山

意念打字:让想象成文

脑机接口 所想即所传

来源:《北京晚报》2018-9-11莫凡


脑袋接上外部仪器,就可以通过脑电波来控制机器。这种只在科幻大片里出现的场景,如今在科学工作者的努力下正逐渐变成现实。不久前结束的世界机器人大会上,一场用脑电波打字的比赛就让观众感到神奇不已。比赛所采用的,是清华大学研发的“脑机接口”技术。作为中国脑科学计划的一部分,以脑机接口为基础的相关研究成果,未来也将有望运用在助老助残等多种场景之中。

现场体验

发微信不用手 用脑电波

清华大学医学科学楼二层,一个十几平方米的小房间里,洗发水、毛巾和吹风机一应俱全。隔三差五,还会有人进来洗个头。别误会,这里并不是学校的美发室,而是清华大学脑机接口实验室的测试间。洗头,是开始脑机接口实验的第一步。

脑机接口技术,指的是用脑电波向机器发送指令,再由机器完成特定任务。收集脑电波用的是一种头罩式的脑电帽,之所以要让测试者洗头,是为了清除头皮上的油脂,减少信号传输的阻碍。

世界机器人大会上展示的脑电波打字,就是脑机接口的一种实际应用。实验室的博士生杨晨介绍,现在打字系统还连上了微信,脑电波聊天也成为了可能。记者申请体验了一次如何用脑电波来发微信。戴上脑电帽,坐在电脑屏幕前,人脑与机器的信号传输正式开始。

系统启动后,屏幕上出现了一个虚拟键盘,每个键都在闪烁不止。“想打哪个字母就用眼睛盯住,系统会自动识别。”记者想发送的信息是”nihao”,于是首先注视字母n,一秒之后,系统停止闪烁输出识别结果,果然是n。随后的i也比较顺利,但在字母h上却遇到了点麻烦,系统总是识别不准。

杨晨表示,这是第一次使用系统的正常现象。脑电波打字时,眼睛的视线必须非常稳定,一般人都需要一段时间来适应。除此之外,测试者的身体还要保持放松,否则会产生“肌电”影响识别。经过10分钟左右的练习,记者逐渐掌握了打字的技巧,字符的输出成功率也越来越高。终于,在用脑电波“敲击”了nihao和回车键后,信息被成功发送到了微信上。

虽然只打了短短几个字符,但记者已经感到有些疲惫,主要是因为不太适应虚拟键盘按键的不断闪烁。杨晨表示,按键闪烁是收集脑电信号的必要环节,测试者刚开始会有不适,体验一段时间之后会好很多。“我们的眼睛受到一个固定频率的闪烁刺激后,大脑会有一个跟随响应,产生同频率及它的高次谐波,就像共振一样。如果虚拟键盘的每一个键都以不同的频率闪烁,我们看不同的键时,大脑产生的‘共振’也会不一样,系统收集脑电信号后就能知道我们在看哪个键了。”

继续体验一段时间后,记者对闪烁的适应程度越来越高,但同时却发现了另外一个问题:打字者必须时刻保持精神集中。如果稍微一走神,或者眼睛看了别的地方,系统就会出现乱判的情况。对于这个问题,杨晨表示,他前不久设计出的一款新系统可以提供解决办法。记者体验新系统后发现,自己可以在打字时稍微“喘口气”了,只要不看屏幕,系统就不会一个劲地识别。“这种系统可以周期更新你的背景脑电,以此为根据判断你是否在看屏幕。以前是你必须跟着系统的节奏,现在是系统来找你的节奏,感觉肯定舒服多了。”

技术发展

二十年算法更新 识别速度快五倍

除了测试间,脑机接口实验室还有一个面积更大的办公区,十几名博士硕士生每人守着一台电脑,不断编写和修改脑机接口系统的程序代码。就是在这里,杨晨夜以继日花了一年的时间才开发出了最新款的系统。而这种不间断的研究与设计,清华大学已经坚持了整整二十年。

高小榕是清华大学医学院生物医学工程教授,也是脑机接口实验室的负责人。对于这项研究的开端,他表示一切都是机缘巧合。“1998年,美国IBM公司有一项大学研究计划,可以提供研究经费,但支持的必须是以前从没有过的研究。”当时电脑和互联网正在普及,高教授和同事想到,正常人能用电脑,残疾人和瘫痪患者怎么办?于是有人就提出了让脑电波控制电脑的想法,“后来人家公司一查,这种研究以前确实没有,我们就成功申请了项目。”

对于这项新技术如何命名,清华团队也费了一番心思。“那时候我们管它叫‘心想事成’,因为看起来我们只用想的就能完成一些操作。”到了2000年,国际上陆续出现了多个研究同类技术的机构,大家凑在一起开了一次会,才最终确定了“脑机接口”这个官方名称。

脑机接口技术采用的脑科学原理,就是前文提到的脑电信号“共振”现象,学名叫作“稳态视觉诱发电位”。多年来,关于这种电位特性的研究不断完善,为脑机接口技术提供了更加厚实的理论基础。而除了对大脑的研究,脑机接口技术更重要的突破点在于识别算法的迭代更新。这也要求研究人员既要懂大脑,更要懂计算机。

一个新算法的出现,要经过建模、推公式、编程等多个步骤。随后还要把设计出的算法投入到实际系统中,看看它能否完成识别任务。即使能够顺利识别,之后还需要经过一系列的优化,来进一步提高识别目标数、速度、准确率等性能。

高教授表示,研究团队最早开发出的系统,最多只能识别六种频率的脑电波,也就只能输出六个目标指令,每次识别需要五秒钟。因为不同人的大脑响应频率不同,测试者需要经过很长时间的训练,才能逐渐与系统磨合。经过20年来的算法更新,如今的系统性能已经大幅增强:目标总数提升到了40个,构成了有26个英文字母、10个数字键和4个功能键的虚拟键盘。识别速度也比过去快了五倍,每次大约只要一秒。在使用便捷性上,大部分人经过10分钟左右的适应,就可以达到八九成的识别准确率。

未来展望

人与人有望 通过脑电波沟通

目前,世界范围的脑机接口研究有三种主流系统,清华大学发明的“稳态视觉诱发电位”系统具有识别信号多的优势。另外两种系统——“P300电位”系统和“想象运动电位”系统都由国外率先研发。前者同样需要视觉刺激,而且可以加入纠错功能,但识别速度较慢。后者则完全无须借助视觉,但总共只能识别两到三种信号。

无论是哪种系统,最终的目的都是转化成应用,清华团队的这项系统,目标使用群体是渐冻症患者。高教授表示,霍金患渐冻症后,还能继续生活50多年,靠的就是健康的思维和坚定的意志,但大多数的渐冻患者,还是早早就放弃了生活的希望。“渐冻症患者虽然身不能动,但大脑依然是健康的。我们希望脑机接口技术能够帮助患者体现生活价值,从而延长他们的生命。”高教授表示,实验室最近正在筹备新的一轮脑控打字比赛,面向的就是患病和残疾群体。

虽然已经能举办小规模的比赛,但高教授也承认,脑机接口技术目前还主要存在于实验室阶段。究其原因,除了系统性能需要进一步优化外,学界与产业界之间也欠缺一些转化机制。另外,在脑电信号的采集工具上也存在技术瓶颈。“目前我们用的湿电极脑电帽,使用前要洗头,打导电膏,十分麻烦。而另一种干电极头环虽然戴上就能用,但采集的脑电信号又很不准。”

尽管目前仍存在推广难度,但高教授对于脑机接口技术的前景依然十分看好。对于未来社会的通讯方式,高教授也有自己的大胆展望。“未来人与人之间的信息输出很可能不通过语言了,而是靠脑电波直接沟通,所想即所传。”

编辑:华山

必发88 1

通过大脑意念直接将想法打印成文字,这样的桥段在不少科幻电影中都有体现。近日,美国斯坦福大学研究人员的研究成果预示了这一“幻想”成为现实的可能。

在这项实验中,研究人员先将一个多电极阵列传感器植入猴子大脑,让它可以在大脑相关区域直接读取手臂控制鼠标的脑电位信号,并训练猴子通过键盘输入屏幕上看到的字符。研究人员通过设计的识别算法来识别猴子打字的脑电位信号,并实现在虚拟键盘上移动光标、选择字母键。最终,经过训练的猴子可以将所看到的文字通过意念“隔空”复写出来,而且最快可以每分钟12个单词的速度输入《纽约时报》的文章或莎士比亚名著《哈姆雷特》的段落。

早在1988年,美国伊利诺伊大学的研究人员Farwell和Donchin首先研发出基于P300的拼写系统,并利用6×6矩阵的行列遍历闪烁来诱发P300电位并形成编码,通过识别不同时间点诱发的P300电位和解析闪烁编码来实现对于矩阵中36个点位的定位。在36个点位放置对应的字符,以此来实现单词的拼写。“拼写器的界面一般为黑色背景,灰色字符,闪烁时为白色。每行每列都会在每轮随机遍历闪烁,所以每轮一共12次。每次计算机都会对顺序做记录,计算机知道行和列闪烁的顺序。所以我们通过识别哪行哪列诱发的P300来定位使用者在看的那个字符。比如当人看目标A的时候,只有在第一行和第一列闪的时候,使用者才会被刺激到,从而诱发P300。”华东理工大学信息科学与工程学院教授金晶在接受《中国科学报》记者采访时介绍道。

这种技术让人或动物大脑与外部设备间建立直接连接通路。不过,这种通路是单向的,计算机只接受大脑传来的命令,并进行相应的显示或命令输出。而且,这项技术也没有想象中的强大,它还需要一点“翻译技巧”。

“若想将大脑中的文章变为文字,一般需要基于特定编码诱发P300电位来实现。”金晶解释说,“在试验时,在受试者眼前摆放一个显示屏幕,屏幕中是一个闪烁字符矩阵,我们只可以在行列交叉点放置需要的字符,根据需要的字符数量设计相应大小的矩阵,可以是6×6的,可以是7×8的。现在有报道的最大矩阵是12×7的诱发矩阵,是由华东理工大学脑机接口团队和格拉茨技术大学脑机接口团队联合开发的。”而且,现在的闪烁模式不同以往,以前定位6×6矩阵的36个点需要闪烁12下才能实现,现在只需9闪甚至更少的闪烁次数就能实现,这样大大节省闪烁时间,提高拼写的速率。

“实际上,每分钟12个单词的速度并不算快,有更快的读取速度,清华大学开发的基于稳态视觉诱发电位的拼写系统大概可以达到一秒一次。”金晶表示,“我们可以根据实际使用者的身体状况和需求来选择不同的拼写系统。”

脑机接口的方式有植入式和非植入式两大类。植入式脑机接口包括针式与贴片式两种。两者都需要进行开颅手术,将电极埋藏在大脑皮层中,绕过头皮与头骨的阻碍,直接监测神经元的活动状况。这样读取信号的方式虽然直接,但由于需要用开放性的外科手术将电极植入到脑内神经组织,这不仅会对用户造成损伤,还要确保伤口长期不被感染,存在一定的技术难度,因此健康人选择这种方式的并不多见。

2012年5月18日,《自然》杂志刊登了一篇论文,这篇来自美国布朗大学、退伍军人事务所等单位的文章,讲述了研究人员帮助瘫痪患者利用大脑思维控制机械臂完成抓握动作,将一瓶咖啡成功从桌上递到该患者嘴边。

现在对于健康人来说最便利的还是非植入式,它可以通过戴在头上的“头盔”读取神经信号。“这样的方式相较于植入式来说不够直接,需要滤除很多噪声信号。”金晶说道。因为神经细胞的放电信号从皮层经由颅骨传到头皮,相关电位会被大大削弱并带来很大的噪声干扰,因而无创伤式采集到的信号分辨率较低。

金晶带领的研究团队也一直从事着脑机接口的研究,他们的研究重点主要集中于康复领域,为脑卒中和运动语言障碍等病人提供新的康复和生活辅助技术。他们做的第一例病人研究便是帮助一位“渐冻人”(肌萎缩侧索硬化症病人,ALS)和家人交流。“通过脑机接口的应用,他可以通过打字告诉医生治疗的反应,并且和家人进行简单的交流。现在,使用过此系统的‘渐冻人’已经超过18例。”金晶介绍说。

在进行实验的10位脑卒中病人中,金晶等研发人员通过外部设备帮助他们麻木的肢体进行运动,通过大脑的主动控制命令直接实现肢体的运动控制,从而建构一个运动闭环,以此来加速大脑损伤区域的康复或功能区域的替代。

“目前,市场上更多的脑机接口产品集中在脑信号信息需求较少的娱乐项目,针对康复的相关脑机接口产品相对较少。我想如果未来能够进一步提高非植入式脑机接口信号采集的便利性和稳定性,脑机接口技术就能帮助更多有需要的人。”金晶总结道。

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