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  明东:“脑语密码”破译者

  弘扬科学家精神·青稞力量

  陈 曦

  “如果把大脑信号的密码比作密码本,那将是一本厚厚的字典,我们现在能够看到的,仅仅是这本字典第一页的前几行字,未来可以通过人机融合达到人体效能增强,机器可以成为我们身体密不可分的一部分。”

  天津大学生物医学工程首席教授明东就是这个破译“大脑密码”的人。他和团队历经近20年技术攻关,终于实现了我国脑—机接口关键技术的突破。在独立研发、自主可控的路上,明东团队走在创新的最前列,他们独立研发的无创脑—机接口系统和脑—机交互芯片,保持着3项性能指标最高的世界纪录。

  帮助病人,研究脑—机接口技术的初心

  1994年,明东考进天津大学精仪学院,选择了当时最热门的生物医学工程专业学习。说起从事脑—机接口研究,明东感慨地说:“我在读博期间,看到许多截瘫患者后期康复治疗非常困难,医生也束手无策。当时我就想,是不是能通过机器,帮助神经损伤患者建立新的人工运动神经通路,使其重获运动能力。”

  最初的信念,让明东博士毕业后,面对国外多所名校的录取邀请时,毫不犹豫选择留在母校当一名教师和开拓者,立志让脑—机接口这项创新技术拥有中国话语权。

  “大脑在想象或执行身体运动时都会伴生类似‘放电’行为,通过机器采集和读取脑电信号,再破译并传输这一信号,让身体执行,就可以为截瘫患者建立新的人工运动神经通路。”明东介绍说,这个原理虽简单,实施起来并不容易。脑电信号微弱到百万甚至千万分之一伏,捕捉破译脑电信号类似于在非常嘈杂的公共空间听清听懂一个人的低声细语,还需要克服头发、头皮、颅骨等对信号的重重“阻挡”。

  在一间不足20平方米的小房间里,明东的研究起步了。课题经费紧张,实验条件简陋,就连必需的实验仪器和科研设备都要四处去借。明东回忆说,搞科研就是一个不断试错的过程,既煎熬又焦虑,后面的一点小突破,往往都是积累到一定程度的必然。

  2014年,“神工”系列人工神经机器人系统终于研制成功,在天津、山东多家三甲医院进行了上千例的康复测试。中风偏瘫患者在“神工”帮助下,可以“所思即所动”,反复训练后起立行走、拿笔书写,直至神经细胞重塑,慢慢康复。

  “神工”系列设备仍在不断进化,预计“脑语者”芯片应用后,“神工”系列将如虎添翼,患者将不再需要依赖电脑就能实现康复功能。速度更快,功能更强,带来更加高效的脑信息检测方式,更加拓展的脑—机交互带宽和解码精准性。

  大显身手,改变未来的勇气没有上限

  实现了最初的梦想后,明东在人脑神经信号与外部机械之间连接领域,朝着更远的一个个目标跋涉。2016年,天宫二号和神舟十一号载人飞行中,两位航天员完成了一项颇具科幻色彩的前瞻性实验:人类历史上首次太空脑—机交互。明东正是这套神奇的实验系统的主要设计者。

  “上天设备既要照顾到荷载限制,又要在太空全部完成主动式、被动式、反应式3种主流范式的任务,系统要求重量小、性能高、更集约。”明东又考虑把功能更强大的脑—机编解码集成芯片作为研究方向。

  明东说:“我未必能改变未来,但是至少要有改变未来的勇气。”硬件、芯片、算法、传感、编码、优化……一个个困难和瓶颈如影随形,基于独立研发和国产可控,很多实验仪器和技术集成都需要自己打造,越前进越能发现一切都是全新的,无章可循,无矩可蹈。为了实现目标,唯有反复探索实践。

  终于,在2019第三届世界智能大会上,“哪吒”横空出世,技惊四座。它装备了世界首款脑—机编解码集成芯片——“脑语者”,能够采用先进的机器学习算法,对极微弱脑电特征进行精细分辨与快速解码,输出一个指令仅需1.7秒,首次实现了一个108个字符的高速脑—机交互系统,也创造了目前头皮脑电BCI在线控制最大指令集的世界纪录。

  目前,脑—机接口领域已经成为世界各大科技强国的竞技场,技术发展迅猛,几年内脑—机交互性能就提升了10倍。说到脑—机交互的明天,明东充满激情地说,从智能而来,到智能而去。未来不是人工智能取代人,而是通过互联互通让它成为人的一部分,毫无隔阂的人机混合是未来必然的归宿。

【编辑:房家梁】

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