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全球首款群体脑机接口系统发布,最多可支持二十人实时脑电交流 | 附设计者对话实录

本文作者:吴彤 2021-09-29 18:38
导语:未来,脑机接口一定会实现人与机的双重优势

2021年9月10-13日,2021世界机器人大会(WRC)在京召开。

自2015年创办至今,世界机器人大会已成功举办五届。大会以“共享新成果,共注新动能”为主题,展示全球各个领域的先进技术和科研成果,旨在促进国内外的学术交流,深挖合作潜力,推动机器人技术、产品与市场的发展。

本次大会上,清华大学医学院生物医学工程系高小榕教授,重点关注了BCI脑控机器人大赛。

高小榕教授常年专注于脑机接口技术(BCI)、神经信号检测和处理的理论和方法,并基于此技术研究生物神经系统信息相关的脑功能分析方法,是中国脑机接口领域的领军学者。

全球首款群体脑机接口系统发布,最多可支持二十人实时脑电交流 | 附设计者对话实录

左边为高小榕教授,右边为陈小刚研究员

BCI技术是神经科学、神经工程、药学和康复学研究的热点课题。同时,也是人工智能领域近几年最前沿的发展方向。目前,我们正处于人机时代,从最简单的人机交互、人机协作到人机共融共存共生,脑机接口的前沿研究成为机器人智能化的关键节点。

但谈到脑机接口的市场应用时,高教授依旧持谨慎态度。他表示,教育和工业还不是脑机接口的刚需,真正的刚需在于医疗行业。

与此同时,高小榕教授也补充到,我们必须平衡脑机接口研究的目标、实际能力和手段,不能让它发展过快。大家一窝蜂投入研究后,会忽视伦理问题的重要性。与此同时,脑机接口的发展是一项综合性的工程,涉及到各个学科的协同发展,没有其它学科的进步也是局限的。

本次世界机器人大会上,雷锋网参与高小榕教授和陈小刚研究员的群访,以下为对话实录。

Q:首先,请您谈一谈脑机接口是什么,它的发展历程以及主要的应用?

高小榕:脑机接口(Brain-Computer Interface, BCI)是现在比较热的一个词,它是从大脑直接提取信号控制外部设备,也是人机接口的一种。传统的人机接口比如鼠标、键盘都需要手部肌肉控制,现在的语音输入也是调用五官,但脑机接口就把这些都跳过去了,不用外周神经参与,直接由大脑信号控制外设。

伴随着上世纪七十年代微型计算机出现,一位教授提出了脑机接口技术,“能不能通过脑电控制电脑”。从第一次命名Brain Computer Interface以来,脑机接口并没有做出什么成果,直到2000年左右又被其他的科学家再次发明出来。

实际上,本世纪初第一次召开脑机接口国际会议。当时世界各国提了很多个词来命名,像“心想事成”这类的词有十七八个,最后统一公认BCI这个词,直到现在,所有用脑神经和外设打交道的研究都叫做BCI。

BCI刚出现的时候,首先是医疗驱动力。

我们要帮助像霍金这样有运动障碍的人控制外设。清华大学也是从1997年开始做脑机接口,当时个人计算机已经普及,我们就想如果一个人不会用键盘鼠标的话,怎么用计算机?我们想到了脑机接口技术,此后便开始了这项研究。

五年前流行起AI热,出现了第二驱动力,也就是AI的驱动力。

其中最核心的鼓吹手就是马斯克、扎克伯格这些人,他们认为AI大规模发展后会出现一个多智能体社会。原来的智能体只是人,现在AI能够比人还聪明,我们怎么跟计算机进行交流?如果我们跟计算机用键盘鼠标交流太慢了,即使是用语言去交流也太慢了,我们是不是直接从大脑提取信号--“心想事成”?

马斯克做的最有影响力的案例是小猪,最近猴子也能够用脑机接口玩游戏。中国也有几个比较代表性的案例:浙江大学把脑机接口直接植入人体,一个像霍金这样的残疾人能控制机械臂,还能够打麻将;天津大学把脑机接口放到太空站,航天员也能够做脑机接口。 但从研究的角度来说,脑机接口还是一个基础的东西。

从技术角度来看,它涉及到脑机接口芯片,从大脑提取神经信号的芯片;还有一个是整套分析软件。

十几年前,软件研究做得比较多,清华做的就是软件。但从前一两年,特别是美国进行脑机接口出口管制之后,中国很多企业开始做芯片。这次大会上展出了两款脑机接口芯片,而且都是和国外的水平相当,性能完全一样,可以替代国外芯片。

除了芯片之外就是系统,国内的大概有几家:博瑞康、江苏集萃,分别是医疗和消费领域。

有了系统之后就需要市场应用,大概分为三大块:

第一块是医疗。怎么解决病人的问题,不能用鼠标键盘也不能说话的人群应该怎么应用。

我们原来的医用主要是存在障碍的人群,比如运动受限以及事故损伤、老龄化带来的各种运动障碍。我们的方式是外周控制,通过大脑直接控制一些外设,比如轮椅不需要自己手动遥控,直接通过大脑的指令发送,可以控制轮椅能够直接行动,同时也可以控制一些外骨骼进行行走,进而融入社会。

情感脑机接口方面,我们也是在尽量解码大脑的情绪。通过脑机接口的手段,我们可以在人心情不好的时候播放相应的音乐,对病人的精神状况进行调控,形成一个环路。目前我们更多的还是辅助运动控制方面做得比较多,未来的话应该是进一步在精神环节也有相应的应用。

我们临床应用的时候也会发现,实际上很多病人的行动和语言表达都会受限,需要清楚这个人的认知状态是不是受影响。但是原先的测量方式对很多病人来说很难适用,比如很多量表都是通过看人的反应,单位时间内能够写对多少字,根据正确率作判断。

因为传统的很多量表都是基于健康人群,通过大量样本得到数据,运动障碍的人群手颤抖到根本无法书写,所以我们通过脑部绕过外周神经直接进行评估。目前临床上可以用脑机接口手段评估病人的认知状态,认知状态具体达到什么程度,然后做状态的调节。

第二块是教育。小孩在学习的时候注意力和认知功能有缺陷的话,可以用脑机接口弥补。根据小孩上课的注意力做一个反馈,或者从家属的反馈中知道孩子是因为不听讲没学会,还是因为不理解没学会。这是两个很大的问题,如果不理解没学会就是逻辑的问题,如果是不听讲没学会就是另外一个问题。

第三块跟工业相关,就是工业4.0等等,实际上涉及到的核心问题是安全。最容易理解的例子就是自动驾驶,你的车可以有自动驾驶,也可以人来驾驶,什么时候人驾驶、什么时候自动驾驶,出现一个协调的问题。

如果有了脑机接口就可以很容易地做出来,比如注意力不集中、困倦、喝酒等等,车辆检测不适合人驾驶,那么就车辆自动驾驶,或者自动停在路边也可以防止出事。比如打电话的时候,车辆发现不能继续驾驶就可以停下来;人突然心脏不好了,车辆也可以自动切换。

当然,教育和工业还不是刚需,真正的刚需是医疗。

Q:目前脑机接口研究的方向是什么?都有哪些需要解决的技术难题?

高小榕:脑机接口研究的途径包括几种:一种是有创,就是要把电极搁到大脑里,还有一种是无创,就是把电极放在头皮上。

有创的方法信息更大,但人不一定能够接收,好好地往大脑里插一根电极,人很难接受。那么就用无创的办法,头皮上植入电极。就像把麦克风放到屋内和屋外的差距,搁到屋外,信号就弱得多,在屋外能够听到里面大声说话,或者有人大笑,但在屋内能够知道在笑什么。

马斯克的研究都是有创的方法,把电极放入脑神经其实是很难的,因为脑组织是人类最软的组织,除了体液就是脑组织。我们监测的硅这些东西反而是最硬的,一个最软的东西和一个最硬的东西放在一起,工作环境一定会有问题。而且人还要活动,跳一下蹦一下,心脏血液会有波动,所以软的和硬的损失有多大?难度还是很大的,这是物理上的难度。

第二个难度就是生物上的难度,放进去的东西即使是软的,但对人体是有毒性的。

第三个难度是信息。人脑有一千亿个神经元,每个神经元都在工作,按照通讯速率的比特率来说,这是按照每秒1TB的速度。如果把我的语言采样,一百比特就可以把我的语言传递到你那里,你耳朵里听到一百比特又会重新解读成1TB,所以这个就是基于语言的压缩能力。但是一百比特和计算机相比还是显得不够,所以这是非常难的东西。

为什么这么难的东西我们还要研究?为什么干脆不做了,等着AI去做?实际上,AI只能解决事实问题,就是这个东西是什么,但不解决价值问题,我是指广义的社会价值。

比如这是一瓶水,AI可以马上识别出来,但这瓶水的价值AI是不知道的,因为价值跟环境有关系。现在水在这里是一个价值,而在沙漠里是另一个价值,如果人类缺水,整个水资源枯竭的时候又是一个价值。

所有的这些价值问题只有人才能判断,机器是判断出来的,我们也强加不了;同样的一个东西,不同的人看待的价值观也是不一样的。比如鲁迅说人血馒头的故事,杀人肯定是有问题的,但其它人觉得是有价值的。

我们假设AI无限发展,发展得越来越大,怎么维护人类的尊严?一个对话框弹出来让你选择Yes和No,如果对话框什么时候都在弹,人整天点击Yes 和 No的话就会出现失误,而且也烦了,这么简单的事还问我干嘛?但AI替你干的话你可能就不干了。

我们要维护人类的尊严,一定要让机器懂得我们的价值,就是干我们不想干的事情。脑机接口最主要的就是一个人机交互工具,我们绝对不会容忍AI把人替代的事情出现。人对AI要求是共存发展,而且我们要占主导。

Q:接下来几年脑机接口的目标有没有规划?主要想取得怎样的应用效率?

高小榕:现在能够落地的首先是医疗,医疗是能够说得清楚的。过程当中可能会沿途下蛋,把医疗技术发展起来,可以做一些认知和决策的东西,这些都需要一步一步来。

除了教育和安全方面,其它的应用都有伦理限制,比如有一个脑机接口的东西提升了治理水平,没用脑机接口的这些人怎么办?但医疗不存在伦理的关系。

任何发展都一定会受到伦理的限制,但这个技术是未来不可或缺的技术,未来一定有脑机接口实现人和机的双重优势。

脑机接口是一个跨度很广的领域,涉及到物理,脑神经认知科学和信息科学,这些学科的人都需要去交流。等到我们把所有的这些困难克服了,包括物理的问题、生物的问题、信息的问题,逐步就会找到应用的渠道。

我们现在主要面向的交流对象是医学界的人员,和天坛医院、宣武门医院、长征医院、协和医院都有合作和研究。

Q:马斯克说的脑机接口还是比较超前的,谈到以后可能将脑机接口接入正常人,进入一个“超人的时代”,之前您说对待记忆写入、记忆增强持有比较谨慎的态度,现在还是这样吗?

高小榕:是的,现在我还是持有这种观点,因为脑机接口确实是影响面非常广的东西。它的危害在于,芯片进入人脑的时候你并不知道可能得到什么东西,但你知道失去了什么东西。设想脑组织的运动就像海浪,你拿一个尖的东西晃几次,对不同的人有没有伤害,或者这个伤害是人能够接受吗。

所以,脑机接入一定要伦理先行。马斯克研究出来之后也要先做医疗的应用,不可能说为了让人玩游戏,脑子里放一个接口。

Q:随着中国进入一个长寿时代,您的研究方向和研究模式会不会改变?

高小榕:脑机接口很关注老年人的问题。比如视觉障碍的话就可以用脑机接口帮助提示一些东西,所以老年也是一个医疗问题。

Q:您是第几次参加世界机器人大会,感觉怎么样,大会对您从事的领域有没有推进作用

高小榕:机器人大会刚刚开始的时候我们就有合作。中国脑机接口的发展是从1997年开始,到了2010年已经开始被科学界认可了。那个时候大家都发表了科学论文,以论文为主,基金委就给我们提了一个问题:我们收到很多很多的基金申请,但脑机接口是一个很新的领域,我们也不知道谁好谁不好,你们能不能从应用的角度评估?

我们是在2010年做了第一届中国脑机接口比赛。基金委把所有基金委的课题都申请了,我们对所有的申请人发邀请。我们有打字任务、有小车控制任务等等。第一届脑机接口的是黑马是李远清教授,他刚回国就听说了这个故事,穿着短袖来到北京,都不知道中国的温度差这么大。

当时是2015年,我们做了第一届、第二届脑机接口比赛,在比赛过程中,我们也能够通过比赛看出谁是第一名谁是第二名,最终很多资料都给了基金委,有利于他们选择课题。

到了2017年世界机器人大会上就有了脑机接口项目,我们就在世界机器人大会的平台上做了技能赛,也想回答到底有多少人适合做脑机接口,有多少人适合用脑机接口。当时做脑机接口的都是我们的学生,都是年轻人,到底有多少人能用,这个事情谁也不知道。就像我们造出汽车,有多少人会开车,我们是不是要办一个驾校。我们做了一个技能赛,相当于脑机接口的奥林匹克,大家随便报名,想来就可以来。

在2018年世界机器人大会上,这时我们得到了世界范围最大的样板人群,原来就是几十人,现在是几百人甚至上千人。

到了2019年就把技术赛和技能赛合二为一,技术赛造出最好的车,技能赛找出最好的赛车手。所以那年出现了脑机接口世界纪录,看一看最优秀的人能够用脑机接口跑得多快,那个人用脑机接口打字比用键盘打字还快。2020年因为疫情,我们只做了技术赛,今年又有技术赛和技能赛,算是第五届中国脑机接口比赛。

我们在2017-2018年做了成人比赛,2019年就有了青少年比赛,要看小孩到底能不能用脑机接口,今年又做了100个六十岁以上的老人的比赛,不能说搞了一个新技术只能年轻人用,而且找一两个老人也不能说明问题。其中年纪最大的是八十一岁。

今年,我们(高老师创意及设计,北邮团队开发实现)在大会上推出了世界上第一份群体脑机接口系统,我们叫做“神聊系统”,最多支持二十个人实时进行脑电交流。二十个人的群聊环境相当于一个班的教室,大家不用说话就可以把知识交流出来,或者能够知道谁听课了谁没听课。

我们的脑机接口从2017年开始由中国电子学会和世界机器人大会支持,实际上芯片比赛是按照赛制直播的,这个比赛非常公平--同样的问题,不同的人去做,结果马上就可以出来。脑机接口就是这个特点,结果是实时的。所以基金委说以前的比赛都有一大堆投诉,你们做的比赛没有人投诉,因为大屏幕就在前面,我们在看,别人也在看,结果是实时的。

Q:最近两年,你们的研究组有哪些比较大的成果?

高小榕:中国在脑机接口领域分量,我们大概占到三分之一,包括论文数和对世界的贡献都是三分之一,但和美国相比,我国拿到的脑机接口经费投入十分之一都不到。

脑机接口总共提出了十几个范式,现在剩下公认的只有三大范式:

SSVEP是一种,想像运动是一种,P300定位是一种,而且在这三种范式最快的脑机接口就是SSVEP。今年我们发了一个很重要的文章,就是总结脑机接口发展路径,提出I3模型。

BCI的I其实是三个I:第一个I是Interface接口,这个接口是单向的;第二个I是Interaction交互,就是双向的东西;第三个I是Intelligence智能。

脑机接口最后要按照这三个模型演化,最后能够达到脑机智能的水平,就是脑的智能和机器的智能合二为一。这是清华大学前任脑机接口研究主任高上凯教授提出来的,他是我的老师。

最近还有一个贡献,原来我们做脑机接口控制最早是6个目标,后来到了12个目标,然后又到了40个目标,今年已经出现了160个目标。我们现在是群体多人脑机接口,也是在这方面做了贡献。今年有一个青年论文竞赛会展示这个结果。

Q:刚才您提到的技术目前应用情况如何?

高小榕:我们在天坛医院控制机械手这类应用都有,“挑战不可能”有一个渐冻症的中国病人,我们做临床的时候发现这个病人可以用脑机接口打字,后来还参加了董卿的“挑战不可能”节目,和董卿一块朗诵了一首诗。这个人已经说不出话了,呼吸机插着管呢,但脑子好使。

Q:从全球范围来看,脑科学和认知学科都有哪些突破口?

高小榕:脑机接口和认知科学实际上是并行发展的,脑机接口相当于打开了脑的一个窗户,可以帮助神经科学的发展,神经科学新的研究结果又反过来促进了脑机接口的应用,二者不是一前一后,而是并行发展,并不是脑神经发展了什么,我们再发展脑机接口。情绪脑机接口的话,情绪到底怎么回事我们不知道,我们检测出情绪好坏就可以调整。

Q:我们谈到脑机接口存在一些挑战,对于科研人员和技术人员来讲,如何应对现实中的一些问题?

高小榕:我们必须平衡我们的目标、实际能力和手段,不能让它过快,看到好大家就一窝蜂地去研究,把伦理限制都去掉了,万一出什么事也很麻烦。这个一定是综合的,涉及到各个学科协同发展,没有其它学科的进步也是局限的。

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