原創(chuàng) 賈懶 果殼

在科幻劇《愛、死亡與機(jī)器人》中，有一集是角色通過頭戴式設(shè)備用意念操控怪獸互搏，這種能讓人通過意念進(jìn)行操控的設(shè)備，便是腦機(jī)接口（BCI）。

主角通過頭戴式設(shè)備用意念操控怪獸丨《愛、死亡與機(jī)器人》劇照

意念能操控，但沒手感啊

現(xiàn)在的一些腦機(jī)接口可以讓我們用眼睛打字，讓猴子看著屏幕打游戲，但如果牽涉到更精細(xì)的操作，比如像科幻劇中操控怪獸打架，或者哪怕只是接住一個(gè)掉下的杯子，沒有手感都很難做到。

我們對(duì)四肢和手部傳來的感覺習(xí)以為常，甚至意識(shí)不到這些感覺有多重要。倘若你使用沒有觸覺反饋的腦機(jī)接口，就好像是在操縱抓娃娃機(jī)，是不是抓對(duì)地方了，抓得夠緊嗎，會(huì)不會(huì)抓不住，會(huì)不會(huì)把娃娃戳破了？我們都不得而知——你很難抓住一個(gè)你根本感覺不到的東西。

你很難抓住一個(gè)你根本感覺不到的東西丨Giphy

因?yàn)榧棺祿p傷而失去運(yùn)動(dòng)能力的病人，可以利用腦機(jī)接口來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的意識(shí)操控。現(xiàn)有的腦機(jī)接口主要是通過視覺來控制機(jī)械手臂抓取、移動(dòng)物體，就像我們夾娃娃一樣缺乏真實(shí)抓到的感覺，因此動(dòng)作會(huì)非常笨拙、緩慢。參與腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)的病人也表示：“當(dāng)只有視覺反饋的時(shí)候，我只能看到那只手碰到了那個(gè)物體。如果我用它來撿東西，有時(shí)候東西就會(huì)掉下來。”

怎么才能讓意識(shí)操控機(jī)械的時(shí)候，還能有真實(shí)的感覺呢？答案就是雙向腦機(jī)接口，也就是大腦-機(jī)器-大腦。大腦的意識(shí)操控機(jī)器后，機(jī)器還能將觸覺刺激反饋給大腦，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操控。

“腦-機(jī)-腦”更勝一籌

近日，美國(guó)匹茲堡大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》上發(fā)布了最新的雙向腦機(jī)接口研究成果，可以讓人用意念控制機(jī)械臂撿拾物體時(shí)，也能向人的大腦提供直接的觸覺反饋。

參與研究的內(nèi)森·科普蘭（Nathan Copeland）在2004年因?yàn)檐嚨湷蔀榘c瘓病人，僅有手腕、幾根手指和部分肩膀仍有知覺。他六年前就開始參與實(shí)驗(yàn)室的腦機(jī)接口研究。

科普蘭意念操縱機(jī)械臂與人握手丨UPMC/Pitt Health Sciences

因?yàn)檫@場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，他成了世界上第一個(gè)同時(shí)在大腦運(yùn)動(dòng)皮層和軀體感覺層中植入微電極陣列的人，軀體感覺層就是大腦中處理來自身體的感覺信息的區(qū)域。這樣腦機(jī)接口不僅能解碼他的運(yùn)動(dòng)意圖從而操作機(jī)械臂，還能夠讓他感受到觸覺反饋。

一開始科普蘭參加實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，接受的是依靠視覺來操縱機(jī)械臂的傳統(tǒng)訓(xùn)練。三年后，科普蘭可以非常熟練地用意念讓機(jī)械臂移動(dòng)球體或抓住立方體。然而，健全的人類只需要花費(fèi)5秒鐘的抓握任務(wù)，科普蘭通常要花費(fèi)20秒左右的時(shí)間來完成。

光靠視覺控制的訓(xùn)練已經(jīng)到達(dá)了瓶頸期，研究人員決定讓科普蘭接受來自機(jī)械臂的觸覺反饋，打通從機(jī)器到大腦的雙向反饋通路。

有了觸覺反饋，完成同一項(xiàng)任務(wù)要省不少時(shí)間。表現(xiàn)好時(shí)，甚至不到4秒就能完成任務(wù)丨參考文獻(xiàn)[1]

通過給機(jī)械臂的手指根部加裝扭矩傳感器，來檢測(cè)手指運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力，再模擬人類手指感受到壓力時(shí)的電信號(hào)，將電信號(hào)通過腦機(jī)接口傳入到植入在科普蘭頭皮內(nèi)部的微電極陣列里，這樣科普蘭就感受到了機(jī)械手臂所觸摸的物體。

科普蘭因此體驗(yàn)到了一種奇妙的觸覺，類似壓力和輕微的刺痛感。這種觸覺反饋的強(qiáng)度會(huì)根據(jù)手施加在物體上的力的大小而變化，這讓他的訓(xùn)練成果突飛猛進(jìn)。從前，他會(huì)猶豫地摸索，試圖確定自己的確抓住了東西?，F(xiàn)在有了觸覺反饋，他要完成抓握任務(wù)，只要10秒就夠了，時(shí)間縮短了一半。

機(jī)械手臂所增加的觸覺傳感器，實(shí)現(xiàn)了和生物體類似的“實(shí)時(shí)傳導(dǎo)”，大腦對(duì)手部觸覺的延滯時(shí)間大約為30毫秒，而傳感器每20毫秒就向腦機(jī)接口發(fā)送一次信號(hào)。這種實(shí)時(shí)的反饋?zhàn)尶破仗m覺得非常自然，“這種控制非常符合直覺，以至于我基本上只是在想事情，但好像是在移動(dòng)我自己的手臂?！?/p>

觸覺不太真實(shí)，大腦還連著線

雙向腦機(jī)接口可以讓人意念操控機(jī)械臂做出完整和自然的動(dòng)作，對(duì)幫助癱瘓病人恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力來說是一大進(jìn)步。

不過，這種腦機(jī)接口技術(shù)仍然受到較多的限制，它需要依靠龐大的有線設(shè)備與受試者的大腦進(jìn)行連接。

去年馬斯克曾展示了精巧輕便的無線連接設(shè)備，類似的裝備如果能投入使用，將省去不少麻煩。

馬斯克讓猴子用意念打游戲，這里的腦機(jī)接口設(shè)備便是無線的

丨Neuralink

另外，觸覺反饋的真實(shí)度有待提高，現(xiàn)有的傳感器仍無法像真實(shí)人類的手一樣來控制微妙的力道、完成更復(fù)雜的任務(wù)。科學(xué)家們正在探索通過在病人四肢中裝入電極，再配合外骨骼來恢復(fù)運(yùn)動(dòng)能力。也許有一天，癱患者操控的不再是機(jī)械手臂，而是自己原本的手腳。

未來，這項(xiàng)技術(shù)可能讓許多癱瘓的患者實(shí)現(xiàn)部分自由，比如不必依賴看護(hù)者就能給自己倒杯水，并把這杯水送到嘴邊。類似這樣的“小事”，對(duì)他們來說會(huì)是改變生活的“大事”。

參考文獻(xiàn)

[1] Flesher S N, Downey J E, Weiss J M, et al. A brain-computer interface that evokes tactile sensations improves robotic arm control[J]. Science, 2021, 372(6544): 831-836.

[2]https://www.wired.com/story/this-brain-controlled-robotic-arm-can-twist-grasp-and-feel/

作者：賈懶

原標(biāo)題：《用意念抓住一個(gè)你感覺不到的東西，有多難？》

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