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        戴着脑电帽控制机械臂写汉字 人与机器的界限被打破?

        2021-02-25 21:31编辑:太平洋在线人气:


          一个古老汉字写出的科学前沿

          假如生活在未来的人观看今天的科学影像记录,他恐怕会被眼前这顶帽子逗笑。

          它看上去像泳帽,表面布满指甲盖大小的金属片,上面镶嵌着电极,用来采集脑电信号。戴上这样一顶脑电采集帽需要花费一点时间,为了让那些金属制品隔着骨头、肌肤、体液更好地读懂人脑,研究者还得想办法拉近他们的距离——填入膏状电解质凝胶,让头皮和金属电极的接触更加紧密。

          听上去,戴这顶帽子可不太舒服。但眼下,它带来的神奇感绝对能对冲不适感。它肩负着窥探人脑秘密的使命,从上世纪末开始,人们通过它将捕捉到的人脑信号转化为指令,操控外部设备实现“意念控制”。  

          2021年春节前,天津大学神经工程团队的两个95后大学生戴着脑电帽,共同想象着一个汉字,他们的脑电信号被捕捉并转化为指令,握着毛笔的机械手臂在红纸上写出“福”字。

          这是世界上第一次采用多人协同方式脑控机械臂、用意念“写”出汉字。

          新的世界纪录诞生了

          23岁的女研究生罗睿心是那个“福”字的“执笔者”之一。想让“电脑朋友”更好地理解自己,和人类一样,也得花时间相处。

          交朋友的方式直接又沉默。罗睿心戴上嵌有64个电极的帽子,端坐在光标闪烁的电脑屏幕前,让目光在216个点位上逐一停留至少5秒钟,电脑即时记录下她注视不同光标时产生的不同脑电波。

          当她想试着写出一横时,只需用眼神在屏幕上“划”出一横,“电脑朋友”就能从她眼神在不同点位的游走轨迹,分析出脑电波产生的变化,进而明白她的意图。

          她还需要照顾“电脑朋友”的反应速度。这一笔“写”得太快,对方来不及作出反应。她要摸清“朋友”的节奏,同时让自己想象笔画时的注意力更集中一些,大约15分钟之后,双方交流信息的准确率能达到90%以上。

          27岁的生物医学工程博士生韩锦是这套双人脑控机械臂书写系统的搭建者,他解释,实现脑控的前提是让机器读懂人的思维意图。

          机器学习和数学建模方法能在不同的脑电波与各异的思维任务之间建立起映射模型,识别出不同的思维意念,也就是“约定”一个人和计算机都理解的沟通方式。每个人的脑电特征都是独一无二的。“同一个人,在不同时间、不同状态下,完成同一任务时产生的脑电波也不一样。”韩锦说,为了保证任务准确率,每次执行任务之前,都需要先进行人机训练,“彼此熟悉一下。”

          一般来说,被试者需要先作出一系列不同的动作,让计算机从电极读取数据,大致弄明白,哪种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,计算机就能明白,是要做什么动作了。

          2018年韩锦第一次在实验室里尝试用意念打字母,“我在这边想,那边的屏幕上就跳出一个个字母,感觉特别科幻。”一年以后,“哪吒”脑控智臂机器人系统在那间实验室里诞生。

          写汉字比写字母难得多。罗睿心和队友把“福”字按笔划拆解为多个部分,两人平均分配,她负责控制左边的偏旁和右边的口字,另一人负责福字右上的横和下面的田字。

          两位“执笔者”盯着屏幕上每个笔划,从起点到终点,光束直击视网膜,大脑中长得像八爪鱼一般的神经元们受到刺激,诱发出相应的脑电波。

          大脑像俄罗斯套娃的核心,被组织层层包裹,颅骨导电能力不好,“执笔者”必须足够专注,尽量减少肢体运动,才能产生一个“穿透力”十足的脑电信号,穿过脑膜、脑脊液、颅骨……抵达头皮上的电极。

          一台计算机同时“对话”多人,能省去一个个“谈心”的时间。相比单人脑控,双人协作操控机械臂要解决的问题更为复杂,需要设计合理的任务分配策略,使两人以最高效率完成操控任务,且不能相互冲突。

          罗睿心和队友同时发出的意念指令,被计算机同时接收,再按照效率优先的顺序指示机械臂完成书写。整个书写过程用时3分钟,比单人速度提升了一倍。

          “人类活动中,有很多复杂精细的工作,是单人无法完成的,需要多人共同合作。”韩锦说,这次是双人操控单个机械臂,未来可以实现多人、多个机械臂共同完成一些更繁重或更精细的任务。比如宇航员在外太空脑控机械臂完成机械维修等。

          长期以来,脑控技术面临的一个关键问题,就是如何完成更多的任务,又能保持更高的速度。“快”与“好”之间存在着天然的矛盾,天津大学医学工程与转化医学研究院副教授许敏鹏说,在以往的研究中,可完成的最大BCI(脑机接口)指令是84个,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,就仅能完成40个指令。

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                1. (来源:太平洋在线xg111)

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