如果只通過意念就能控制機(jī)械臂聽起來不錯(cuò)，如果這種方式還是無創(chuàng)的是不是更好？研究人員利用無創(chuàng)的腦機(jī)接口（BCI）開發(fā)出了首個(gè)通過思想來控制的機(jī)械臂，一起來看一下。

來自卡耐基梅隆大學(xué)（CMU）的一組研究人員與明尼蘇達(dá)大學(xué)合作，在無創(chuàng)機(jī)器人設(shè)備控制領(lǐng)域取得了重要突破。研究人員利用無創(chuàng)的腦機(jī)接口（BCI）開發(fā)出了首個(gè)成功通過思想來控制的機(jī)械臂，它具有連續(xù)跟蹤和跟隨計(jì)算機(jī)光標(biāo)的能力。

能夠僅使用思想無創(chuàng)地控制機(jī)器人裝置將具有廣泛的應(yīng)用，特別是有益于癱瘓患者和運(yùn)動(dòng)障礙患者的生活。

已經(jīng)證明BCI僅使用從腦植入物感測到的信號來控制機(jī)器人設(shè)備的良好性能。當(dāng)機(jī)器人設(shè)備可以高精度控制時(shí)，它們可用于完成各種日常任務(wù)。然而，到目前為止，成功控制機(jī)械臂的BCI已經(jīng)使用了侵入性腦部植入物。這些植入物需要大量的醫(yī)學(xué)和外科專業(yè)知識才能正確安裝和操作，更不用說成本和潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此，它們的使用僅限于少數(shù)臨床病例。

BCI研究的一大挑戰(zhàn)是開發(fā)侵入性較小甚至完全無創(chuàng)的技術(shù)，使癱瘓患者能夠利用自己的“思想”控制周圍的環(huán)境或機(jī)器假肢。這種非侵入性BCI技術(shù)如果成功，將為眾多患者帶來曙光，甚至造福大眾。

參與者使用BCI下的虛擬光標(biāo)完成隨機(jī)移動(dòng)目標(biāo)的連續(xù)控制目標(biāo)定位任務(wù)

然而，使用非侵入性外部傳感而非腦部植入物的BCI接收“更臟”的信號，導(dǎo)致當(dāng)前較低的分辨率和較不精確的控制。因此，當(dāng)僅使用大腦來控制機(jī)械臂時(shí)，非侵入性BCI無法使用植入式裝置。盡管如此，BCI的研究人員已經(jīng)取得了進(jìn)展，他們關(guān)注的是一種可以每天幫助世界各地患者的少量或非侵入性技術(shù)。

卡耐基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程部門負(fù)責(zé)人賀斌教授正在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，每一次都是一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)。

賀斌教授

“使用腦部植入物的思想控制機(jī)器人設(shè)備已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。這是一門出色的科學(xué)，”他說：“但非侵入性是最終目標(biāo)。神經(jīng)解碼的進(jìn)步和無創(chuàng)機(jī)械臂控制的實(shí)用性將對非侵入性神經(jīng)機(jī)器人的最終發(fā)展產(chǎn)生重大影響?！?/p>

利用新穎的傳感和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，他和他的實(shí)驗(yàn)室能夠訪問大腦深處的信號，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的高分辨率控制。通過無創(chuàng)神經(jīng)影像學(xué)和一種新穎的連續(xù)追蹤范式，他克服了嘈雜的腦電信號，從而顯著改善了基于腦電圖的神經(jīng)解碼，并促進(jìn)了實(shí)時(shí)連續(xù)2-D機(jī)器人設(shè)備控制。

參與者使用BCI下的機(jī)械臂完成隨機(jī)移動(dòng)目標(biāo)的連續(xù)控制目標(biāo)任務(wù)

以前，人類無創(chuàng)控制的機(jī)械臂總是以急促、離散的動(dòng)作跟隨移動(dòng)的光標(biāo)——好像機(jī)械臂在試圖“趕上”大腦的命令 ——但是現(xiàn)在，機(jī)械臂能夠流暢、連續(xù)的跟隨光標(biāo)。

在Science Robotics上發(fā)表的一篇論文中，研究小組建立了一個(gè)新的框架，通過增加用戶參與度和訓(xùn)練，以及通過腦電圖源成像提高無創(chuàng)神經(jīng)數(shù)據(jù)的空間分辨率，來解決和改進(jìn)BCI的“大腦”和“計(jì)算機(jī)”組件。

該論文“Noninvasive neuroimaging enhances continuous neural tracking for robotic device control”（無創(chuàng)神經(jīng)影像增強(qiáng)機(jī)器人設(shè)備控制的連續(xù)神經(jīng)跟蹤）表明，團(tuán)隊(duì)解決這一問題的獨(dú)特方法將計(jì)算機(jī)光標(biāo)的連續(xù)跟蹤提高了500%以上。

這項(xiàng)技術(shù)還有一些應(yīng)用，可以通過提供安全、無創(chuàng)的“思想控制”設(shè)備來幫助各種人群，這些設(shè)備可以讓人們與環(huán)境交互并控制環(huán)境。迄今為止，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在68名身體健全的人體受試者身上進(jìn)行了測試（每個(gè)受試者最多10次），包括虛擬設(shè)備控制和機(jī)器人臂的控制，以便持續(xù)追蹤。該技術(shù)直接適用于患者，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在不久的將來進(jìn)行臨床試驗(yàn)。

“盡管使用非侵入性信號存在技術(shù)挑戰(zhàn)，但我們完全致力于將這種安全和經(jīng)濟(jì)的技術(shù)帶給可以從中受益的人，”賀斌教授表示：“這項(xiàng)工作代表了無創(chuàng)腦機(jī)接口的重要一步，這項(xiàng)技術(shù)有朝一日可能成為幫助每個(gè)人的普遍輔助技術(shù)，就像智能手機(jī)一樣?！?/p>