本報記者 劉園園
街頭賣藝的殘疾人可以用機械臂自如地彈吉他﹔女主角阿麗塔隻有大腦保存完好，但在依德醫生為她安裝了機械肢體后，阿麗塔奇跡般地復活了。
這是最近上線的科幻電影《阿麗塔：戰斗天使》中的情節。該片呈現了一個人機融合極為普遍的未來世界。其中形形色色的半機械人，都離不開腦機接口（Brain Computer Interface，簡稱BCI）的支撐——畢竟，離開大腦的指揮，功能再強大的機械肢體也難以動彈。
其實，腦機接口技術早已不屬於純科幻。盡管離《阿麗塔：戰斗天使》中描繪的發展程度相差甚遠，但現實生活中的腦機接口技術已開始嶄露頭角。
一種全新的人機交互方式
敲鍵盤是我們與計算機交互的主要方式，近幾年興起的語音交互是人工智能技術帶來的新的交互可能。而腦機接口技術將再次帶來全新的人機交互方式。
“腦機接口是讓大腦和機器直接溝通的一種系統，它可以讓人腦與機器互聯，人機之間的信息傳遞或通訊控制會變得更加方便。” 中國科學院半導體研究所研究員王毅軍在接受科技日報記者採訪時說。
簡單來說，就是可以靠直接提取大腦神經信號來控制外部設備。
“從技術上來說，腦機接口技術可分為侵入式和非侵入式兩大類。”王毅軍說。
在大腦中植入電極或芯片屬於侵入式的腦機接口。人的大腦中有上千億個神經元，通過植入電極，可以精准地監測到單個神經元的放電活動。這種方式的缺點是會對大腦造成一定損傷。
而頭戴式的腦電帽則屬於非侵入式的腦機接口，它主要是使用腦電帽上的電極從頭皮上採集腦電信號。這種方式可以在頭皮上監測到群體神經元的放電活動，缺點是不夠精准。
其實早在半個世紀前，科學家就有了將大腦與機器連接起來的想法。隻不過，相關技術一直不太成熟，腦機接口技術進展緩慢。直到2000年左右，腦電波檢測等技術的重大進展，為腦機接口技術注入新的發展活力。
如今，腦機接口技術已成為科技大佬們關注的前沿技術。
美國太空探索技術公司（SpaceX）掌門人埃隆·馬斯克就投資了一家名為“Neuralink”的腦機接口初創公司。臉書公司也於2017年透露，它擁有一支工程師團隊研發腦機接口技術。該團隊計劃用光學成像設備每秒掃描大腦100次，從而實現讓用戶直接用意識打字。
相關研究應用已越來越多
“盡管與科幻電影相比，現實生活中的腦機接口技術仍處於早期發展階段，但相關應用已經越來越多。” 博睿康是一家關注腦機接口技術的國內企業，該公司總經理黃肖山在接受科技日報記者採訪時說。
醫療領域是腦機接口的主要用武之地。美國研究人員曾展示，利用腦機接口技術，使殘障患者通過控制機械臂進行活動，比如拿起水杯喝水。
“但腦機接口不一定非要用來控制機械臂。”黃肖山介紹，這種技術目前還可以用來進行神經系統疾病的診斷和康復。比如，癲癇病人的大腦會出現某個區域的神經元異常放電，通過腦機接口技術檢測到神經元異常放電后，可以對大腦進行相應的電刺激，從而減少癲癇發作。
王毅軍表示，中風患者在失去肢體控制能力后，也可以通過腦機接口技術對患者的大腦運動皮層進行訓練，幫助病人進行康復。
除醫療領域外，腦機接口技術目前還被用於航空航天、教育、娛樂等多個領域。例如，在航空航天領域，該技術可幫航天員用大腦更好地操控機械外殼，在特殊環境下執行任務﹔在教育領域，它能訓練學生的注意力等。
最具吸引力的還是腦機接口技術的未來前景。“未來腦機接口的應用場景有哪些？可以想想我們平時用大腦做了哪些事情。”黃肖山說。
最根本的改變是，一旦大腦與計算機實現更好、更快地交互，人與人之間、人與計算機之間的交互效率將實現質的飛躍。
王毅軍解釋道，比如現在語言是人與人之間交流的重要方式，在說話前，大腦已編輯、形成相關信息，再通過控制肌肉運動將這些信息以語音的形式表達出來。這樣通過語音對話進行交流的方式，效率很低。
“未來可以通過腦機接口實現生物智能與機器智能的融合，即腦機混合智能，使大腦與大腦之間，大腦與計算機之間直接進行信息溝通，信息溝通的效率將被大大提高，從而真正實現‘心想事成’和‘意念控制’。”王毅軍說。
前景美好但存在發展瓶頸
盡管前景十分美好，現階段腦機接口技術還存在很多尷尬的問題。
“以目前侵入式的腦機接口技術應用為例，在大腦中植入電極后，周圍的膠質細胞會逐漸將電極包裹起來，電極監測到的神經元活動會越來越少。” 王毅軍說，幾年甚至幾個月后，電極就完全監測不到神經元活動，如果需要再次使用，就得重新植入電極。而電極的植入不但會損傷大腦神經元，也會有感染的風險。
頭戴式的腦電帽雖然不會損傷大腦，但每次使用時都需要洗干淨頭發，往腦電帽的電極中注入導電膠，操作起來十分麻煩。
拋開上述問題，腦機接口的應用效果也不是很理想。比如通過腦機接口操控的機械臂還很難像真人的肢體一樣靈活。總體來說，腦機接口系統還缺乏安全、高效、成本又低的解決方案。
“腦機接口是一項綜合性非常強的技術，涉及眾多技術領域。”黃肖山說，正因如此，腦機接口的發展也受制於相關技術的成熟程度。
首先腦電信號的採集涉及到材料學，因為植入大腦的裝置，十分容易造成人體感染，那麼就需要改進材料技術去解決這一問題。
同時還需要精密電子電路技術，因為腦機接口需要採集神經元發出的信號，這些信號極其微弱。假如電路中的噪音稍大，就會影響腦電信號的採集。
人工智能也是腦機接口需要利用的一項基礎技術。因為在採集大量腦電信號之后，需要訓練人工智能系統，使其學會分析處理這些復雜的信號。
醫療技術更是不可或缺。正如影片《阿麗塔：戰斗天使》中展示的，在到處都是半機械人的廢鐵城中，醫生扮演著重要角色。現實中，腦機接口技術在醫療領域的應用也離不開相關醫療技術的精密配合。
“但最重要的方面是腦科學研究。因為隻有知道大腦是怎麼回事，了解大腦是如何運作的，才能更好地解讀大腦生成的信息。”黃肖山說，目前對於諸如聽覺和視覺等隻涉及大腦局部區域的腦電信號，學界已了解得比較深入。但對於大腦高級功能產生的腦電信號，比如回憶、復雜情感等，學界目前對其了解程度還很有限。
