貼片“膏藥”就能意念操控輪椅：腦機(jī)接口無需植入，準(zhǔn)確率超90%

栗子 魚羊 發(fā)自 凹非寺

量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

你想象的腦機(jī)接口，是不是要帶個(gè)帽子，上面有很多洞洞，把腦袋搞成一個(gè)蜂窩？

△?我司一璞小姐姐

不不不，現(xiàn)在不用了。

只要在脖子后面貼一張薄薄的軟軟的“膏藥”，再套一條時(shí)尚的發(fā)帶，不用植入任何設(shè)備，也不用注射奇怪的試劑，就能用意念來控制機(jī)器了。

比如，腦電波操控輪椅：

△?來自老番茄

啊不對(duì)，是這個(gè)：

△?已加速

前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。

系統(tǒng)能讀懂人的心，經(jīng)過6個(gè)人類親身測(cè)試，接收每個(gè)指令的準(zhǔn)確率，都超過了90%。

這樣，高位截癱的人類，動(dòng)動(dòng)腦子就可以出去玩了。

這是佐治亞理工學(xué)院的Woon-Hong Yeo教授，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員，借用深度學(xué)習(xí)開發(fā)出的新型腦機(jī)接口，登上了Nature的機(jī)器智能子刊。

它不止能支配輪椅，還能幫助小機(jī)器人靈活走位：

△?已加速

它很薄，但很有深度

佐治亞理工學(xué)院的這套可穿戴腦機(jī)接口，顯然比傳統(tǒng)設(shè)備輕便許多，只有一條發(fā)帶，和一貼“膏藥”。

他們?yōu)槠淙∶?strong>SKINTRONICS。

這一套新設(shè)備，其實(shí)是新型納米膜電極，柔性電子設(shè)備和深度學(xué)習(xí)算法結(jié)合的產(chǎn)物。

在硬件上，主要有三個(gè)組成部分。

首先，是高度靈活的，安裝在頭發(fā)上的電極。電極可以通過頭發(fā)與頭皮直接接觸。

傳統(tǒng)的“濕”電極與導(dǎo)電凝膠耦合，以充分捕獲信號(hào)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間來設(shè)置并進(jìn)行定期維護(hù)。此外，水基凝膠還會(huì)隨著時(shí)間的流逝而蒸發(fā)，導(dǎo)致皮膚電極接觸阻抗衰減。

相比之下，SKINTRONICS采用的干電極，性能更為優(yōu)秀。

當(dāng)施加輕微的向下壓力時(shí)，干發(fā)電極的導(dǎo)電撓性彈性體支腿會(huì)輕微張開，與頭皮更好地接觸。

其次，是超薄納米膜電極。

這一塊皮膚狀電極具有網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)，采用氣溶膠噴射印刷，可以拉伸。這樣的設(shè)計(jì)能減少運(yùn)動(dòng)偽影，并增強(qiáng)皮膚與電極之間的接觸阻抗。

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際采用了三個(gè)彈性頭皮電極，用發(fā)帶固定。而皮膚狀印刷電極則被放置在耳后，通過柔性薄膜電纜連接到SKINTRONICS系統(tǒng)中。

最后，就是那塊“膏藥”——柔性無線電子設(shè)備。

通過微細(xì)加工技術(shù)，材料轉(zhuǎn)移印刷和軟硬件部件集成的一套組合拳，多通道柔性電子系統(tǒng)被封裝在柔軟的彈性膜中。

柔軟到即使彎折180°，也不會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生不利影響。

這一塊柔性電路集成了藍(lán)牙模塊，大腦記錄的腦電圖數(shù)據(jù)會(huì)在其中進(jìn)行處理，然后通過藍(lán)牙傳輸?shù)诫娔X上，有效范圍為15米。

不過，光靠傳感器是不夠的。

橫在面前的還有兩個(gè)難題：

一是，SSVEP信號(hào)比較低，在幾十微伏的范圍，和身體里的電噪音很接近。所以，這樣的信號(hào)不容易分析。二是，人類的大腦有個(gè)體差異，每個(gè)人發(fā)出的信號(hào)都會(huì)有所不同，容易影響系統(tǒng)對(duì)用戶指令的理解。

如果理解有偏差，就沒辦法按照人類的想法，來操控輪椅了。

所以，研究人員想到了深度學(xué)習(xí)。

一只CNN要學(xué)會(huì)根據(jù)腦電信號(hào)，準(zhǔn)確分析出人類的指令。

而人類發(fā)出指令的方式，是做出某個(gè)動(dòng)作：閉眼、看上面、看下面、看左邊、看右邊。不同的動(dòng)作，有不同的腦電信號(hào)：

△?已加速

AI按照頻率 (Hz) 的不同，把信號(hào)分成了5類，對(duì)應(yīng)的指令是：

一是無動(dòng)作，二是往前走，三是逆時(shí)針，四是順時(shí)針，五是往后退。

訓(xùn)練好的CNN，學(xué)到了一套權(quán)重，對(duì)分類更有幫助的參數(shù)，可以拎出來。

因?yàn)?，它們代表了那些電極所在的點(diǎn)位，發(fā)出的信號(hào)更加有用。畢竟，不同位置收獲的信號(hào)質(zhì)量并不一樣。

淘汰一部分獲取信號(hào)不給力的電極，可以有效減少傳感器的數(shù)量。只保留位置最佳的電極，也有助于AI理解人類的意圖。

研究人員說，AI不需要提前了解特定的信號(hào)種類，深度學(xué)習(xí)在傳統(tǒng)方法很難分解出特征的情況下，就派上了用場(chǎng)。

離線訓(xùn)練完成之后，團(tuán)隊(duì)在6個(gè)人類身上進(jìn)行了輪椅控制測(cè)試。

結(jié)果，AI對(duì)4種指令的判斷，準(zhǔn)確率都在90%以上：

成功了。

不過，就像開頭提到的那樣，這一套指令不止能拿來控制輪椅。

小機(jī)器人的走位，也可以靠它支配：

△?已加速

就連播放課件的時(shí)候，也用得上：

△?已加速

大概，也能拿來打游戲吧。

當(dāng)然，這項(xiàng)研究的價(jià)值，還不止于此。

助力病理研究

經(jīng)典的EEG（腦電圖）系統(tǒng)必須覆蓋大部分頭皮才能獲得信號(hào)，在應(yīng)用當(dāng)中，無疑給使用者帶來了身體和心理上的雙重壓力。

而這樣小型、可穿戴式的腦機(jī)接口設(shè)備，將改變這一現(xiàn)狀，為運(yùn)動(dòng)障礙人士帶來更多的便利。

論文的通訊作者Woon-Hong Yeo介紹說，下一步研究，將集中在完全彈性的，無線自粘式電極的研究上。這樣的電極可以直接安裝在有頭發(fā)的頭皮上，無需再借發(fā)帶之力。

并且，他們會(huì)進(jìn)一步將電子器件小型化，以集成更多電極。這樣，SKINTRONICS系統(tǒng)將能用來檢測(cè)運(yùn)動(dòng)障礙者的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位或運(yùn)動(dòng)心像（Motor Imagination），服務(wù)于未來的治療應(yīng)用研究。

注：運(yùn)動(dòng)心像，是人在心理上模擬/排練某種動(dòng)作的過程，可用作精神康復(fù)。

在另一位論文作者Audrey Duarte的一項(xiàng)睡眠研究中，就已經(jīng)用上了這套簡(jiǎn)單的EEG監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來監(jiān)測(cè)人們?cè)谧约杭抑兴X時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)。

使用以往的設(shè)備，這類研究只能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，還會(huì)讓受試者感到相當(dāng)不舒服。

或許，阿爾茲海默癥等復(fù)雜病癥的神經(jīng)病理學(xué)研究，也將從此處獲得新的突破。

研究團(tuán)隊(duì)

論文的通訊作者，是佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院和生物醫(yī)學(xué)工程系的助理教授Woon-Hong Yeo。

Woon-Hong Yeo本科畢業(yè)于韓國(guó)仁荷大學(xué)，2011年在華盛頓大學(xué)拿到博士學(xué)位，17年成為佐治亞理工學(xué)院的助理教授。

一作Musa Mahmood是Woon-Hong Yeo的弟子，從弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)（VCU）一路追隨Yeo來到佐治亞理工學(xué)院，目前在Yeo的課題組讀博。

研究團(tuán)隊(duì)還包括Yeo課題組的Yun-Soung Kim，Saswat Mishra和Robert Herbert，以及佐治亞理工學(xué)院心理學(xué)學(xué)院副教授Audrey Duarte，肯特大學(xué)的Deogratias Mzurikwao，和威奇托州立大學(xué)的Yongkuk Lee。

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論文地址：

https://www.nature.com/articles/s42256-019-0091-7

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