BMI(脑机接口):用意念驱动机械

2015-07-10 13:43:30 来源:日经BP
捕捉大脑的活动,身体不动,就能“随心所欲”地控制机械。BMI(脑机接口)技术的研发进行地如火如荼。为了使人类的大脑成为新的“输入器件”,技术开发正在不断推进。

       “请把注意力集中在想做事情的图标上”。在日本产业技术综合研究所理学博士长谷川良平的指示下,笔者将目光投向了排列着8个图标的显示器屏幕上。因为想看电视,所以笔者凝视着写有“TV”的图标。

       过了一会,在TV图标的上面,“是这个吧”的文字一闪而过。之后每隔几秒,就会以不规则的频率闪烁文字。大约到第5次的时候,画面上的虚拟形象替记者说话了:“我想看电视”。
 

       虚拟形象为何能替记者说出想法?

       其实,在看显示器的时候,记者头上佩戴了由8个电极和火柴盒大小的处理装置组成的“脑电波仪”。脑电波仪用来测量可以隔着头皮检测的脑电波(大脑产生的电信号)。根据脑电波随视觉刺激发生的变化,推测记者的意图,让虚拟形象“代言”。

帮助疑难病症患者

       通过读取大脑的活动,让大脑变为“输入器件”,不用动手,就能操作装置和机械——这种技术叫作“BMI(脑机接口)”。不只是记者这样的健全人,作为用来帮助因受伤、ALS(肌萎缩侧索硬化症)等疑难病症,而难以活动肢体、或者说话患者的技术,BMI如今备受关注。日本产综研将在2015年夏季,在筑波大学附属医院开始临床验证。

       通过精密分析脑电波,完全掌握思考的内容不是一件简单的事情。单纯在脑子里想“我想看电视”,虚拟形象并不会直接代为表达。

       产综研提前测量了使用者在注视各个图标和闪烁的“是这个吧”的时候,脑电波出现的变化。通过事先检测“每个人千差万别”(长谷川)的脑电波波形,与实际注视同一事物时的反应对照,判定注视的是哪一个图标。

       将图标限定为8个,是出于对识别精度的重视。增加选项虽然可以增加表达的事物,但也会导致误判增多。

       产综研从2000年代启动相关研究,通过加入过滤家电等产生的噪声的机构,提高了识别精度。现在进行8次识别,也不一定会出现1次失误。脑电波仪也从形似游泳帽,常被吐槽“压得太阳穴疼”的初期款式,进化到了像自行车头盔一样的形状。在易用性方面,也在逐步靠近实用。

       但是,在内嵌电极和脑电波仪后,价格最低也要几十万日元。为便于检测到脑电波,还要在头皮上涂抹含有食盐的凝胶。

       为此,以提供半导体测试服务为主业的Tera Probe,把研发目标锁定在了成本为几万日元的实用化设备。

       只需要在头顶的1个位置佩戴电极,注视平板电脑屏幕上显示出的文字。“因为很多技术正在申请专利”(先行技术开发室长古京直也),该公司没有披露详细情况,但介绍说,当使用者看到以人眼察觉不到的速度无序闪烁的文字时,根据脑电波某个部分表现出的变化,可以确定使用者看的是哪个字。并且在邮件中输入这个字。输入目标文字“精度达90%”(古京)。

       产综研与Tera Probe都是把外部“刺激”作为解读脑电波的钥匙。另一方面,利用人的“意念”操作机械的举措也已经启动。
 

想象数字,向目的地移动

       金泽工业大学的中泽实教授利用脑海中浮现出“1”和“2”的“形状”时发出的脑电波的波形,实现了利用“意念”操作轮椅。

       佩戴耳机的学生坐上电动轮椅,进入沉思。不一会儿,电动轮椅就自己驶向了目的地——洗手间。
 


       学生想象的是数字“1”。虽然直接想象“洗手间”是最省事的方式,但中泽教授说:“使用脑电波检测出(地点和目的等)复杂思维的差别,在现阶段还很困难”。还是分别想象“1”、“2”、“3”等数字的形状的方式简单,而且容易在脑电波上表现出差异。

       于是,中泽教授按照“1=洗手间”的搭配,为地点与数字事先建立联系,实现了只需“想象”,即可自动前往目的地的轮椅。只要检测到使用者在想象数字“1”,活用轮椅上安装的雷达,就可以避开障碍物前往洗手间。这一点与自动驾驶汽车的原理相同。中泽教授通过积累脑电波的波形,正在为更细致地解析思考的内容进行研究。今后将力争实现“只要想到‘洗手间’,就能前往洗手间的电动轮椅”。

通过血液流动捕捉大脑活动
 

照射近红外光,通过光线在大脑内部的扩散方式,调查脑内血液中的含氧量。通过把含氧量数据与以往的模型相对照,推测对象的想法
       除了脑电波,还有利用其他指标捕捉大脑活动的方法。其中,岛津制作所已经在抑郁症诊断辅助装置等产品中投入实用的,是根据“血液含氧量”检测大脑活动状态的技术。叫作“近红外分光光度法(NIRS)”。

       比如说,通过捕捉血液含氧量的变化,相比前面提到的脑电波仪,可以更详细地读取大脑在产生“想开空调”的想法时的活动状态。NIRS装置的反应速度约为5秒,虽然比只需不到1秒的脑电波仪慢,但在减少误识别上优势明显。

       因此,国际电气通信基础技术研究所(ATR)把岛津制作所的NIRS与脑电波仪组合,正在研究只通过大脑活动,完成操作家电等室内的各项动作。

       BMI的研究之所以火爆,是因为过去只能利用医院的MRI(磁共振成像装置)、MEG(脑磁图)等大型装置才能检测到的大脑活动,已经可以由使用脑电波仪、NIRS的小型装置进行捕捉。

       现阶段的研究成果,需要为数字和地点建立联系、或是进行训练,与“心灵感应”还相差甚远。虽说分析技术日新月异,但研究人员都表示“尽管如此,人类的大脑依然充满了尚未解开的谜团”。实用化虽然还面临着许多课题,但为了让BMI早日造福饱受疾病和重伤之苦的患者,研发竞争已经趋于了白热化。

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