△我司一璞小姐姐
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?
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(lái)控制機(jī)器了。
比如，腦電波操控輪椅：
△來(lái)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(guò)6個(gè)人類(lèi)親身測(cè)試，接收每個(gè)指令的準(zhǔn)確率，都超過(guò)了90%。
這樣，高位截癱的人類(lèi)，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(kāi)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∶鸖KINTRONICS。
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(guò)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(lái)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(kāi)，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(guò)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(wú)線電子設(shè)備。
通過(guò)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(guò)藍(lán)牙傳輸?shù)诫娔X上，有效范圍為15米。
不過(guò)，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(lèi)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(méi)辦法按照人類(lèi)的想法，來(lái)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(lèi)的指令。
而人類(lèi)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(lèi)，對(duì)應(yīng)的指令是：
一是無(wú)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(lèi)更有幫助的參數(shù)，可以拎出來(lái)。
因?yàn)椋鼈兇砹四切╇姌O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(lèi)的意圖。
研究人員說(shuō)，AI不需要提前了解特定的信號(hào)種類(lèi)，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(lèi)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(guò)，就像開(kāi)頭提到的那樣，這一套指令不止能拿來(lái)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(lái)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(wú)疑給使用者帶來(lái)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(lái)更多的便利。
論文的通訊作者Woon-Hong Yeo介紹說(shuō)，下一步研究，將集中在完全彈性的，無(wú)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(wú)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)監(jiān)測(cè)人們?cè)谧约杭抑兴X(jué)時(shí)的神經(jīng)活動(dòng)。
使用以往的設(shè)備，這類(lèi)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(lái)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。（文/栗子 魚(yú)羊）
關(guān)鍵詞： 膏藥 發(fā)帶 意念 機(jī)器
責(zé)任編輯：Rex_07
