在電影《阿凡達》中，主人公杰克是一名前海軍戰士，因為受傷只能以輪椅代步，經過實驗用意識進入阿凡達身體后，他就能用意念控制阿凡達，行動自如。

這些出現在科幻片里的意念控制，正在一步步走進現實世界，并且在天津就能見到。

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5月18日至21日，即將在天津舉行的第七屆世界智能大會上將展示本市研發的一系列腦機交互科技成果，其中包含天津大學神經工程團隊的最新成果之一——基于無創頭皮腦電信號的“神工”腦機微信操作系統。

簡單來說，就是腦控版微信。使用者不用雙手操作，不用張嘴說話，用無創腦機接口即可使用微信所有功能。

視頻中，這位來自天津醫院的康復患者，因突發事故，7根手指末端遭到嚴重損傷并被截斷，喪失了書寫、打字等精細運動的能力，給生活帶來了極大的不便。

在使用“神工”腦機微信操作系統時，使用者戴上接觸頭皮的腦電帽，操作面前的電腦顯示屏。電腦鍵盤上的53個基本指令按鍵，以虛擬鍵盤的形式呈現在顯示屏上，并用不同的頻率閃爍。使用者想要打字時，比如說要拼寫“tianjin”，只需要用眼睛依次盯著要拼寫的字符，大腦在接收到每一個字符閃爍頻率后，就會積極響應，腦電帽即可實時采集到使用者的拼寫意圖，系統通過解碼用戶腦電波，得到用戶意圖后進行識別，目標字符就會輸出在微信的聊天框中，并輸出文字，從而實現“意念聊天”。

這位患者使用“神工”腦機微信操作系統，分別向一直陪伴照顧自己的家人和天津大學神經工程團隊的老師表達了感謝。

據了解，天津大學這項腦機接口技術將眼動定位與腦電解碼相結合，構建了首個面向微信全功能的腦機操作系統，滿足了用戶使用微信的日常需求，采用先進的眼動定位算法和腦電分類算法，實現對用戶指令輸出意圖的精準解碼，準確率超過90%。相較于傳統腦機接口，用戶可以自主控制是否輸出指令，從而實現了良好的交互體驗。也就是說，包括文字輸入、刪除文字、選擇自定義表情、自由選擇聊天對象、點擊不同模塊等等微信所有交互功能都可以實現。

什么是腦機接口？

什么是腦機接口？這要從我們的大腦談起。

大腦是人體的控制器，主要由800億到1000億個神經元組成，大腦神經元對信息進行接收、處理和轉發，神經元之間通過級聯方式形成網絡，這些網絡進一步形成更復雜的交聯網絡。通常情況下，中樞神經系統的活動通過外周神經系統連接身體的感覺、運動、語言等信息收發器官，實現身體內部與外部環境的信息交互。

而腦機接口則由“腦”+“機”+“接口”組成，簡稱為BCI（brain-computer interfaces），指的是將人腦與外界具有處理或計算能力的設備（比如電腦或其他裝置）實現連接，進行直接通信的方式。

早在1924年，德國精神科醫生漢斯·貝格爾就通過檢測發現了腦電波，這意味著人的意識可以轉化成電子信號被讀取。此后，腦機接口技術的研究開始出現。

世界上第一個開發腦機接口的人是來自美國的神經生理學家、耶魯大學研究員何塞·德爾加多，1965年，《紐約時報》在對德爾加多的報道中這樣寫道：他向植入大腦的裝置發送無線電信號，讓一頭橫沖直撞的公牛停了下來。

近年來，瑞士、美國、日本、歐盟等國家和地區都在積極布局，推出了針對腦機技術的許多重大研發計劃及投資項目，Meta、谷歌、亞馬遜等商業巨頭在腦機接口領域的成果也不斷涌現。

如今主流的腦機接口技術，分為侵入式和非侵入式，前者需要進行頭部手術，將傳感電極植入顱骨內來探測神經元信號，會產生一定的創傷，也伴隨著風險。這兩年比較火的侵入式腦機接口當屬由埃隆·馬斯克2016年聯合創立的Neuralink公司，致力于開發可植入大腦記錄并刺激大腦活動的腦芯片。2020年8月29日，馬斯克在活豬身上演示了“腦機接口”技術Neuralink，該裝置實現了對豬行為軌跡的精準預測。2021年4月9日，Neuralink展示猴子用意念玩模擬乒乓球游戲《Pong》，這只猴子大腦中植入了腦機接口，通過腦電波控制球拍，大腦中的設備記錄了猴子玩游戲時神經元放電的信息，學習預測它將做出的動作。

天津大學神經工程團隊多年深耕的，是非侵入式腦機接口技術，無需進行有創手術，只需要在頭皮表面布置相應的傳感器電極來采集大腦皮層的神經活動。

“侵入式，嚴重的神經疾病患者還是很適用的，比如說傳統的治療方法已經沒有很好的效果，我們采用這種侵入式的方式來看他神經元的活動，它的優點在于距離從物理空間上離神經元更近，所以它采集到的信號質量會更好。”腦機交互與人機共融海河實驗室副主任、天津大學醫學部副主任倪廣健對比了兩種方式的特點：“非侵入式，由于有頭皮顱骨和頭發的物理阻礙，所以它采集起來相對難度就會更大一點，但是它獨到的優勢是無創和對全腦信號的同步監測，隨著技術的進步和信號質量的持續提升，從受眾面的廣度和寬度來講，非侵入式腦機接口對消費級和產業化更有優勢。”

腦機接口有什么用？

天津大學神經工程團隊研究腦機接口的初衷，是希望為腦卒中患者等因神經系統疾病引起的運動障礙的人群提出康復方案，通過機器采集和讀取腦電信號，解碼輸出控制信號，讓身體執行，為患者建立新的人工運動神經通路，重新獲得運動能力。

2014年，由天津大學神經工程團隊研發的首臺適用于全肢體中風康復的人工神經機器人系統——“神工-神機”研制成功。隨后此產品的二代、三代成果相繼研發成功。中風偏癱患者在“神工-神機”幫助下，可以在反復訓練后起立行走、拿筆書寫，逐漸康復。

▲環湖醫院患者穿戴神工機器人

視頻中，今年3月，環湖醫院的一名40歲輕度腦卒中康復期患者，正穿戴著由天津大學神經工程團隊研發的“神工-神甲”外骨骼機器人進行康復訓練。這套設備通過分析患者腦部發出的信號，向下肢電刺激驅動型外骨骼發送指令，帶動患者偏癱側肢體進行運動康復訓練，喚醒神經沉寂區。這名患者在機器人的輔助下進行兩周康復訓練后，左下肢步態已經有明顯好轉，頭暈現象有所緩解。

“神工”系列人工神經康復機器人系統已通過國家食品藥品監督管理局（CFDA）檢測，并在多地醫院臨床測試成功，獲批國家醫療器械注冊證，受益患者3000余例。

如今，天津大學神經工程團隊的腦機交互成果，除了為相關患者帶來福音以外，也正呈現出越來越廣泛的應用場景。不僅可以改變殘疾人、行動不便人士生活，還可以提升人類認知和思考的能力。

2019年1月，天津大學的畢業生收到一份特殊的禮物——一份通過“意念”書寫的“福”字。受試者只需佩戴可測量腦電波的腦電極帽，并想象移動手臂，就可以讓與電腦系統相連的機器臂隨意念而動，在紙張上一筆一畫地寫出“福”字。

天津大學神經工程團隊的成果還走向了太空。2016年，在我國天宮二號與神舟十一號載人飛行任務中，天大團隊聯合中國航天員中心成功開展了人類歷史上首次太空腦機交互實驗。

天津大學醫工院副院長、神經工程團隊教授許敏鵬說：“航天員在太空環境，完成復雜作業任務受到極大的限制，腦機交互可以不依賴外周神經和運動系統，未來，將航天員的思維活動轉化為操作指令，同時又能監測航天員的腦力負荷等神經功能狀態，實現人機互適應，減輕作業負荷，是最為理想的人機交互方式。”

據了解，實驗獲取了空間飛行中航天員的腦機交互生理特征變化情況，并初步驗證了意念控制在航天任務中的可行性，腦機交互技術的在軌適用性，為未來腦機接口技術在航天領域的應用提供技術支撐。

技術的發展，要靠一代又一代的人才來推動。2018年，教育部批準創辦“智能醫學工程”本科新專業，這是我國首個智能方向的醫學類本科專業，天津大學開風氣之先。同一年，天津大學在醫工院設立了全國首個“智能醫學工程”二級學科博士點，目前智能醫學工程第一批學生全部選擇繼續深造，在天津醫院、兒童醫院等三甲醫院里接受聯合培養。

世界智能大會上見！

今年三月，由天津市政府主導，天津大學牽頭，聯合中電云腦、海河產業基金等10余家優勢單位共建而成的天津市第六家海河實驗室──腦機交互與人機共融海河實驗室正式揭牌，將成為我國腦機交互領域自主創新的重要源頭、天津人工智能支柱產業的核心支撐、天津制造業立市的技術底盤。

目前，腦機交互與人機共融海河實驗室擁有多個國家級研究基地和10余個省部級創新平臺，擁有無創腦機交互關鍵核心技術，布局了國際最大最全面的腦機交互專利池，實現了腦機交互全技術鏈條覆蓋。腦電識別精度、控制指令數量和信息傳輸率三項核心指標均達到國際最高水平。

即將于5月18日至21日在津舉辦的第七屆世界智能大會上，將集中展示本市腦機接口技術成果，除了前文所述的“神工”腦機微信操作系統，還有具有完全自主知識產權的世界首款腦機接口采集及編解碼芯片，腦語者C系列和D系列，以及國際上首次實現腦機接口、神經肌肉電刺激和機械外骨骼的自主研發和集成應用的“腦機助行系統”，自主研發的“國內首款抑郁癥智能診斷機器人”神工-神心系統等等。除此之外，還將有智能科技領域的院士專家與世界500強知名企業家將聚焦腦機交互進行深入探討。

5月18日，世界智能大會見！（記者：趙征 編輯：陳彤、霍然）