从脑机AI鼠标到智能仿生手，从正念冥想到脑控智慧病房，时下，“脑机接口”技术逐渐走向成熟，国内外各类产业应用层出不穷。在广州，琶洲实验室常务副主任、脑机智能研究中心主任李远清教授自2019年起便开始探索脑机接口科技成果转化的产业化尝试。
近期，华南脑控（广东）智能科技有限公司（以下简称“华南脑控”）的“脑机AI”项目，获得第十三届中国创新创业大赛（广东·广州赛区）人工智能产业生态体系赛道一等奖。李远清作为华南脑控主要负责人，受邀参与央视《中国科技创新盛典》节目录制，向全国观众介绍脑机接口技术和其无限潜能。
“脑机接口”到底如何读取我们的“意念”？能帮助我们解决哪些问题？本期《科技周刊》，记者来到琶洲实验室，为大家揭秘“脑机接口”的神奇魔力。
文/广州日报全媒体记者武威图/广州日报全媒体记者李波通讯员王蕴理
脑机接口即大脑和外部设备之间的“接口”。科学家们发现，人类大脑的神经元会发出脑电信号形成某些指令，并依靠全身神经传递这些指令，从而控制我们身体的肌肉与器官完成各项工作。大家熟知的癫痫等疾病，其实就是大脑异常放电导致的。
当这些脑电信号被“接口”采集，并被“翻译”成可以识别的数字信号时，电脑就可以凭借这些数字信号控制各种外部设备，从而完成大脑原先想让肌肉与器官做的事。这就是“脑机接口”的基本原理，也为科学和相关产业的发展提供了无尽的想象空间。
2002年，李远清教授将研究方向定位在脑电信号的采集与处理上。刻苦钻研二十三年后，团队已在脑机接口相关技术上取得了多项突破，并开启了成果转化的产业化道路。
信号采集
脑机接口的第一个关键步骤是信号采集，尽管方法公开，却是一门易学难精的技术。李远清向记者展示了团队研发的一个头环，该头环内部主要由电极和脑电放大器构成，实验人员戴上头环后，头环便开始采集实验者的脑电。“人类的脑电电压非常微弱，通常只有几十微伏，因此，头环上的电极要非常灵敏，采集到这些电信号后，还要传导至脑电放大器进行电信号放大，才能读取这些微弱的脑电信号。”
消除噪声
第二个关键步骤是去噪声。脑电信号经过电极采集和读取放大后，掺杂了很多无效的干扰信息，如肌电信号、眼电信号、环境电磁干扰等，这些就是“噪声”。
如今，科学家们已可利用脑电独立成分分析、频谱分析、时频分析等先进技术，识别并去除与脑电无关的信号，让脑电信号尽可能保真。
翻译信号
第三个关键步骤是“翻译”。依靠人工智能手段，将脑电信号转化为机器能读懂的数字信号，这需要科学家开发出脑信息解码的优秀算法模型，并依靠能力强大的芯片，让“翻译”过程准确快捷。“在琶洲实验室，算法的开发是我们的强项，我们的脑机接口产品有一个专门的算法群，所有的算法都是我们研发出来的。”李远清说。
控制设备
第四个关键步骤是让脑机接口控制各种“外周神经”和外部设备，以实现各类应用。如中风患者利用脑机接口，可以操控外骨骼设备。
信息反馈
第五个关键步骤是利用外部设备和外周神经，实现对大脑的信息反馈。这五步形成了脑机接口闭环，让设备不断工作。团队技术的另一独到之处是多模态脑机接口技术，“我们不仅采集脑电信号，还采集眼电信号、头动信号等，综合生成控制指令，从而更准确地控制外部设备。在国内，我们首个提出多模态脑机接口的概念，这也是我们的核心技术之一。”
主流技术
侵入式和非侵入式技术互补
李远清介绍，目前脑机接口主要可分为侵入式和非侵入式两大技术路线。这两类脑机接口技术各具优势，是互补关系。
非侵入式脑机接口以穿戴式头环为主，其优势是价格相对便宜，对大脑没有任何伤害，不需要做手术，市场需求较大。其缺点则是信号质量相对较差，“经过多年努力，非侵入式脑机接口的性能、脑信息解码的准确性都在提升，且进步很快。”
而侵入式脑机接口则要把电极植入大脑皮层里面，以获得更加准确的脑电信号。“这一技术需要去除的噪声比较少，获得脑电信号的准确性更高，其弊端就是要做手术。一般情况下，只要不是情况比较严重的病人，通常不会接受这种手术。但它依然有很好的应用前景，特别是针对疑难杂症、重大脑疾病有更好的效果。”
应用场景
正念冥想系统获海外消费者青睐
李远清团队自2019年起开始探索脑机接口的产业化应用，目前，脑机接口正念冥想系统在国内外销售情况比较理想，在亚马逊美国上用户评价（好评度）排在同类产品第一位。
在实验室内，记者戴上多模态脑机AI头环，亲身感受了李远清团队设计的脑机接口正念冥想系统。头环收集记者的脑电信号，这些信号可以反映大脑的状态，而大屏幕会将大脑的状态，通过一颗葡萄干显示出来。大脑状态越放松，屏幕中的葡萄干就会越大（近）越清晰；大脑状态越紧张，葡萄干就会越小（远）越模糊。
“我们可以用这套系统来进行一些精神心理疾病的监测和干预，如抑郁、焦虑情绪、睡眠障碍，都可以通过脑机接口正念冥想系统得到有效缓解。此外，我们还首次发现它可以防晕车晕船，效果特别好。”
脑机AI鼠标“脑控”电脑
团队开发出一款脑机AI鼠标，已经在市场上销售。实验者头戴多模态脑机AI头环，通过“脑”来操控电脑屏幕上的光标。
李远清说：“其应用场景主要是为双手瘫痪或残疾的人士提供帮助，也能帮助受到‘鼠标手’、颈椎病等问题困扰的人士。”
智慧病房已开展临床试验
李远清团队利用脑机接口技术打造的脑机AI智慧病房，正在中山大学附属第三医院、广东省工伤康复医院、广州市脑科医院、山东滨州欣悦康复医院养老社区等单位开展临床试验。
该设备由病床、平板电脑和其他外部设备组成。患者头戴多模态脑机头环，目视平板电脑上的各个操作按键，就可以控制病床和其他外接设备。比如可以自主实现向左翻身、向右翻身、抬腿、抬身体等；同时，操作者还可以控制空调、照明、房间窗帘的开关等。
李远清介绍，脑机AI智慧病房、脑机AI轮椅等产品面向肢体残障、脊髓神经损伤、中风、渐冻症等肢体障碍人士，正处于申请医疗器械注册证阶段。
未来应用场景更广阔
恢复活动功能——脑机接口有望帮助中风、脊髓损伤等患者恢复运动功能，患者可以利用大脑信号控制康复设备、外骨骼设备进行肢体运动训练，甚至可以利用意念来控制假肢，实现行走等功能。
恢复语言功能——脑机接口可以为无法开口说话的患者提供交流手段。近期《自然·神经科学》上的论文显示，美国研究团队利用人工智能算法改进了脑机接口植入设备，使一名失语18年的中风患者能以更接近自然语言的速度将想法转换成语言表达出来。研究者将设备植入患者大脑的语言中枢，借助电极记录了她在脑海中默念句子时的大脑活动，并使用其中风前的声音样本构建了语音合成器，还原出她的声音。随后，研究者利用人工智能模型将神经活动转化成语音单元播放出来。脑机接口设备从她开始默念句子的前500毫秒起，每80毫秒捕捉一次她的神经信号，使其每分钟可“读出”47到90个单词。
智能家居与物联网——脑机接口技术有望与可穿戴设备集成，实现与智能手机、智能家居和其他物联网设备的无缝交互。例如，用户可以通过大脑信号控制家电开关。
工业4.0领域、交通领域和教育领域——该技术可以实时监控工作人员的疲劳、压力或警觉性降低的情况，检测司机是否疲劳驾驶，监测学生的学习状态等。
游戏——脑机接口可以增加玩家的沉浸式游戏体验。通过脑机接口，玩家的情绪和状态可以被实时监测，并可据此调整游戏内容。
投资机构来穗共议脑机接口
随着脑机接口技术日趋成熟，脑机接口正成为广州投资界和产业界关注的焦点。在粤港澳大湾区高性能医疗器械创新中心举行的脑科学与生物材料专场活动上，多位投资人和脑机接口企业负责人分享了他们对脑机接口这一未来产业的看法。
华峰资本副总裁蓝春泉认为，马斯克的Neuralink侵入式脑机接口引领全球热潮，但国内以非侵入式研究为主，侵入式技术受伦理限制发展缓慢。脑科学是跨学科、多领域合作的典型案例，需要技术研发者、临床机构、资本、政府通力协作，才能真正促进科研成果的孵化和落地。相关创业企业需平衡短期生存需求与长期创新目标，避免因资金和市场压力过早削弱核心技术研发的投入。
动脉网动脉智库高级研究员邵杨鳕表示，我国在脑机接口领域的临床试验数量正在逐渐增加，脑机接口正处于由基础研究向临床应用转化的重要阶段，新的想法和技术正在得到积极的探索和应用。近10年的数据统计显示，中国在脑机接口领域的专利申请数量呈持续增长态势，但授权数量增长相对缓慢。
邵杨鳕表示，目前脑机接口技术还处于早期阶段，未来要完善上游芯片设计、算法研发，下游临床应用、运维服务等多个方面，同时应构建服务型、订阅型等新型盈利模式，而不仅局限于产品销售。
活动中，来自微灵医疗、锦脑科技、宏智力科技等国内脑机接口企业的负责人也向记者介绍了他们在脑机接口领域的产业化尝试。
科学家解前沿
不断提升脑信息解码准确性
“我们科研的重点首先是保证接口对大脑的安全性，其次是不断提升解码脑信号的准确率和效率，让科研成果真正造福大众。”
李远清本科毕业于武汉大学数学系，硕士就读于华南师范大学数学系，博士阶段转攻自动控制，在华南理工大学自动控制系学习控制理论。博士毕业后，李远清转向信号处理的科研方向。李远清表示：“脑科学是实实在在的前沿研究领域，每年都有很多成果。我的学术背景是数学、自动控制、信号处理，所以我选择了一个切入点——脑机接口。”
针对其科研的独创性，李远清告诉记者：“我在基于稀疏表示的脑信号分析算法方面具有开创性；多模态脑机交互也是我们的优势所在，我们引领了该方向成为领域的热门方向；我们还推动了脑机接口在意识障碍方面的应用。”
琶洲实验室脑机智能研究中心将围绕脑机接口基础理论、关键技术、系统平台、应用示范等开展全方位、系统性研究。“我们科研的重点首先是保证接口对大脑的安全性，其次是不断提升解码脑信号的准确率和效率，让科研成果真正造福大众。”
