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用意念开飞机这事儿究竟是怎么实现的?

作者:管理员      点击次数:109      2016/12/8 10:38:48




用意念开飞机这事儿究竟是怎么实现的?

中国科普博览  中国科学院网络科普门户 收藏(75) | 阅读(11000)

在美国西雅图一个晴朗的下午,天空中只漂浮着几块散云,微风习习,霍尼韦尔航空研究所的一名试飞员戴上一顶像是蓝色泳帽的帽子,上面有很多孔洞,随后霍尼韦尔的科学家将32个电极插入这顶帽子,并接触到头皮,试飞员开始通过大脑意识操作飞机,做出爬升、下降以及转弯等基本动作…这是霍尼韦尔航空研究所发明了一种系统,让人们可以用大脑和意念开飞机,任何人坐在副驾驶上,带上头套系统,不需要任何飞行经验,几分钟就可以学会怎么操作飞机。

(美国研究员首次利用意念驾驶飞机试飞成功,后排为霍尼韦尔航空研究所科学家)


自从神经学家和工程师们开始研究连接大脑与机器的意念控制技术以来,人们就开始想出千奇百怪的方式来利用它。人们希望通过最直接的方法去操控机器,比如我们只需要动动意念就能改变电视频道,以观看我们最喜欢的节目。只用思维的力量就能驾驶汽车或无人机,而将手脚解放出来。此外,我们还可以用意念玩游戏、控制假肢以及家用电器等。

人类拥有强大的脑波信号 只是被头盖骨屏蔽了

意念控制技术包括了神经科学、认知科学、计算科学、物理学、数学等多领域学科,这种技术的初级阶段,主要是脑机交互(英文称作BCI,Brain-Computer Interface)。“脑”指的是人脑,更准确地说,应是人脑的神经系统。“机”就是用于计算和处理的设备,包括芯片、电路、计算机等。脑机交互就是利用大脑神经活动产生的脑电信号,实现人脑与计算机或其他电子设备的直接通信和控制。反过来,也可称计算机通过脑信号推断人的想法或目的。



由于脑波活动具有特定的规律,且与大脑的意识存在某种程度的对应关系。比如在兴奋、紧张、昏迷等不同状态时,脑电波会有明显不同。但由于人的大脑被头盖骨紧紧包裹,屏蔽了大量的脑波信号,为此提取脑电波必须依靠电极等精密的电子仪器,从头皮上将脑部的自发性生物电位加以收集、放大并记录,意念控制设备由此诞生。

一只猴子带来的巨大科学启发

现代意念控制技术的研究兴起于20世纪20年代,当时研究人员刚刚发现人类脑电活动,并开发出单电极脑电描记技术,用以贴在头皮上记录脑电活动。研究人员还发现,神经元通过电子“尖峰”传递信息,这可被极细的金属丝(电极)记录下来。1969年,美国科学家发现猴子可以通过大脑运动皮质中神经元的活动来使生物反馈仪的指针发生偏斜。运动皮质是大脑中计划和支配躯体运动的区域,这是科学家首次证实脑电波可以控制外部设备。但菲兹没有意识到,他创造了世界上首个脑机接口。



30年前,生理学家们开始记录许多动物的神经元发现,当动物运动时,它们的整个运动皮层的脑电信号都会增强,连接特定运动的单个神经元速度也会加快。如果你记录下足够多的神经元的信号,就可以得出某个人正在做什么或想要做什么的大致猜测。研究人员开发出算法,重建运动皮层神经元的活动,并在1980年发现神经元与手臂移动方向之间的关系。自从20世纪90年代中期以来,研究人员已经可以捕捉复杂的运动皮层信号,并记录多个神经元的运动,利用它们控制电子设备,建立我们称之为意念控制技术的脑机接口。

脑机交互的出现,为瘫痪病人控制电脑或轮椅等设备提供了希望,通过戴上帽子和接受学习控制设备的训练,比如将轮椅想象成身体的一部分,或利触发特定的心理任务指令来控制轮椅等。但是EEG的精确度有限,且只能发现有限的指令。而在复杂环境中控制轮椅活动通常令人心力交瘁,创造计算机能够解释的更清晰的信号也非常困难。为此,科学家们开始尝试分享控制,即将大脑控制与人工智能相结合,后者是能够帮助将粗略闹心好变成更复杂指令的技术。有了分享控制技术,病人无需不断下令轮椅前进,而只需要下达指令1次,其余可交给软件接管。利用这种技术,许多瘫痪病人已可利用意念控制机器臂。

在实现驾驶飞机之前 意念控制技术已经造福了大量残疾人

如果说VR改变了我们观看世界的方式,语音技术改变我们听说世界的方式,那么意念控制技术将会彻底改变我们与世界交互的方式。它可以帮助残障人士更好地与世界互动;控制机器人替身去完成高风险的任务作业;探知大脑工作原理,治疗精神疾病患者;改变人类的社交方式以及人与机器和谐相处。


                                                                                                                                              (意念控制直接造福残疾患者)


现在,许多意念控制设备已经出现,比如有线头骨帽(可玩视频游戏)、风扇(可通过脑电波吹风)等。佩戴BBC iPlayer新耳机的用户只需集中注意力就可以实现换台,约翰-霍普金斯大学应用物理实验室的工程师们可通过意念控制机械手臂。美国也开发了拥有“近自然触觉”的智能假肢,人们不仅可利用意念操作假肢,还能感受到假肢正在接触物品的感受。

又如文章开头我们介绍的霍尼韦尔航空研究所开发的意念驾驶飞机技术,只需要经过短暂训练,飞行员就可利用思维的力量控制飞机;葡萄牙公司则开发出类似意念控制的无人机。

医学界正为身体瘫痪或失去肢体的人创造更先进的选择。去年,一名瘫痪女子的左脑被植入小型传感器,帮助她控制蓝牙鼠标,以操控平板电脑的触摸屏。约翰-霍普金斯大学医学院的医生们在1名年轻人的运动皮层上安装了128个电极传感器,帮助控制其仿生手臂运动。




在改变世界创意峰会上,还有人提及为盲人创造“仿生眼”。这个创意原理是,眼镜会直接将信号传输给大脑视觉皮层中的植入物,这可以帮助盲人提高85%的视觉。由于信息直接反射给大脑,这种技术承诺将可帮助那些视网膜植入无效的人。预计,此类技术的人体实验最早将从2017年开始。

不损伤颅骨接收清晰脑电波信号的方式吗?

从理论上讲,人类没有理由不能穿上用意念控制的仿生服,就像科幻电影《钢铁侠》中的小罗伯特·唐尼(Robert Downey Jnr)身穿的战甲。此外,我们的大脑也应该能变成万能遥控器,可以控制房间里的所有设备。但是即使有了最好的技术,将大脑与机器相连也存在极大风险。




当前的意念控制设备还无法为你提供控制“钢铁侠”战甲那样的敏捷和力量。此外,它们还存在重大缺陷,需要通过头上的信号器读取你的脑电活动信号。为了清晰解读大脑电子信号,医生们必须打开或刺穿颅骨,在大脑表面上直接植入电极。这种手术显然非常危险,术后在电极周围也会留下伤疤。

此外,随着时间推移,植入物将逐渐停止记录,控制手臂将变得更加困难。而对于电子部件来说,电脑是个充满敌意的环境。随着时间推移,电子元件将被疤痕组织掩盖,进而发现的神经元会越来越少。科学家们正建造越来越的解码器(解读神经元信号的软件),并尝试更具雄心的项目。

当然,也有不太引人注意的方式,尽管其目前仅在绵羊身上进行过测试。澳大利亚多个机构的研究人员正研发一种设备,它的体积很小,可栖身在人类血管中。医生们会将细长的弹性支架插入腹股沟的血管中,然后引导设备进入人体,最终达到运动皮层,也就是大脑的运动指令中心。这种微型设备会停留在血管中,时刻收集脑电信号。最终,如果能实现这种设备与外骨骼“对话”,将帮助失去肢体的人恢复行动能力。截肢瘫痪或四肢瘫痪的病人,包括那些最近受伤的年轻人,最早将于2017年年末就可以申请接受测试。如果人体上的试验取得成功,最早可能在6年内投入商用。

练瑜伽和冥想的人和意念控制技术是天生一对

虽然插入支架比颅骨手术的创伤小,但目前的研发技术依然需要向人类大脑中植入外来物体。对于那些想要重新恢复移动能力的人来说,需要权衡安全性。

将外物植入体内是非常危险的过程,依然属于对身体的入侵,你必须确保利大于弊。毫无疑问,寻找更精确、更少入侵性的替代方案将会继续。但在我们能够获得意念控制的外骨骼前,我们可能还需要继续冒险。


(习惯和练习冥想的人意念控制能力更突出)


将来,脑机接口技术不仅包括技术方面的进步,还包括使用它的人的大脑的进步。有研究显示,长期练习瑜伽和冥想的人学习利用意念控制电脑时进展更快,效率也更高。当然,并非所有人能够轻松学会利用大脑控制计算机,许多人哪怕尝试多次也无法成功。

出品:科普中国

制作:零号工程

监制:中国科学院计算机网络信息中心


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