匹茲堡2019年6月20日 /美通社/ -- 卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(Carnegie Mellon University)的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)手明尼蘇達(dá)大學(xué)(University of Minnesota)，在非侵入性機(jī)器人設(shè)備控制方面取得了突破性進(jìn)展。使用非侵入性腦機(jī)接口(BCI)，研究人員開發(fā)了有史以來第一個(gè)成功的腦力控制機(jī)械臂，展示持續(xù)跟蹤和跟隨計(jì)算機(jī)光標(biāo)的能力。
能夠以非侵入性方式只使用思想來控制機(jī)器人設(shè)備將得到廣泛的應(yīng)用，特別是對癱瘓患者和運(yùn)動(dòng)障礙患者的生活有好處。
腦機(jī)接口已被證明在只使用大腦植入物感知的信號控制機(jī)器人設(shè)備方面實(shí)現(xiàn)了很好的性能。當(dāng)機(jī)器人設(shè)備可以高精度控制時(shí)，它們便可以用來完成各種各樣的日常工作。然而，至今為止，成功控制機(jī)械臂的腦機(jī)接口已使用侵入性大腦植入物。這些植入物需要大量的醫(yī)療和外科專業(yè)知識(shí)來正確安裝和操作，更不用說受試者的成本和潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此，它們僅限用于少數(shù)臨床病例。
腦機(jī)接口研究的一大挑戰(zhàn)是開發(fā)侵入性更小甚至是完全非侵入性技術(shù)，使癱瘓患者能夠利用自己的“思想”來控制他們的環(huán)境或機(jī)械臂。如果成功的話，這種非侵入性腦機(jī)接口技術(shù)將會(huì)給眾多患者乃至整個(gè)人類帶來迫切需要的技術(shù)。
然而，使用非侵入性外部傳感（而不是大腦植入物）的腦機(jī)接口接收“更臟”的信號，導(dǎo)致當(dāng)前分辨率和控制精確度較低。因此，當(dāng)只使用大腦來控制機(jī)械臂時(shí)，非侵入性腦機(jī)接口并不支持使用植入設(shè)備。盡管如此，腦機(jī)接口研究人員勇往直前，將目光投向了可以幫助世界各地患者改善日常生活的低侵入性或非侵入性技術(shù)。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程理事教授、系主任Bin He完成了這一目標(biāo)，這是一次非常重要的發(fā)現(xiàn)。
He表示：“使用大腦植入物的腦力控制機(jī)器人設(shè)備已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。這是一門很棒的科學(xué)。但非侵入性技術(shù)是最終目標(biāo)。神經(jīng)解碼方面的進(jìn)展以及非侵入性機(jī)械臂控制的實(shí)際應(yīng)用將對非侵入性神經(jīng)機(jī)器人的最終開發(fā)產(chǎn)生重大影響。”
利用新的傳感和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，He和他的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)能夠獲取大腦深處的信號，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械臂的高分辨率控制。通過非侵入性神經(jīng)成像和新穎的連續(xù)跟蹤模式，He正在克服EEG信號帶來的噪音，從而顯著改善基于EEG的神經(jīng)解碼，并推動(dòng)實(shí)時(shí)持續(xù)的2D機(jī)器人設(shè)備控制。
首次使用非侵入性腦機(jī)接口來控制在計(jì)算機(jī)屏幕上跟蹤光標(biāo)的機(jī)械臂，He通過人類受試者展示了機(jī)械臂現(xiàn)在可以持續(xù)跟蹤光標(biāo)。由人類以非侵入性方式控制的機(jī)械臂此前一直以不穩(wěn)定、不連續(xù)的方式跟隨光標(biāo)的移動(dòng)——就像機(jī)械臂努力“趕上”大腦的指令一樣——現(xiàn)在，機(jī)械臂以順暢、連續(xù)的路徑跟隨光標(biāo)。
在題為《科學(xué)機(jī)器人》(Science Robotics)的文章中，研究團(tuán)隊(duì)制定了新框架，通過增加用戶參與和培訓(xùn)，以及通過EEG源成像提高非侵入性神經(jīng)數(shù)據(jù)的空間分辨率，解決和改進(jìn)腦機(jī)接口的“大腦”和“計(jì)算機(jī)”組成部分。
題為《非侵入性神經(jīng)成像可增強(qiáng)連續(xù)神經(jīng)跟蹤，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人設(shè)備控制》(Noninvasive neuroimaging enhances continuous neural tracking for robotic device control)的文章顯示，研究團(tuán)隊(duì)解決這一問題的獨(dú)特方法不僅為傳統(tǒng)的中心外任務(wù)將腦機(jī)接口學(xué)習(xí)提升了近60%，還將對電腦光標(biāo)的持續(xù)跟蹤提升了500%以上。
該技術(shù)還具有可以幫助各種人的應(yīng)用，通過提供安全的非侵入性“腦力控制”設(shè)備，使人們能夠與他們所在的環(huán)境互動(dòng)并進(jìn)行控制。迄今為止，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在68名身強(qiáng)體壯的人體受試者中進(jìn)行了測試（每個(gè)受試者多達(dá)10次），包括虛擬設(shè)備控制和機(jī)械臂控制，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)跟蹤。該技術(shù)可直接用于患者。研究團(tuán)隊(duì)打算在不久的將來進(jìn)行臨床試驗(yàn)。
He說：“盡管使用非侵入性信號帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)，但我們?nèi)娜χ铝τ趯⑦@項(xiàng)安全且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)帶給能從中受益的人。這項(xiàng)努力是在非侵入性腦機(jī)接口方面邁出的重要一步，而腦機(jī)接口技術(shù)終有一天可能會(huì)成為無處不在的輔助技術(shù)（比如智能手機(jī)），幫助每個(gè)人。”
這項(xiàng)努力部分由National Center for Complementary and Integrative Health、國家神經(jīng)疾病和中風(fēng)研究院(National Institute of Neurological Disorders and Stroke)、國家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所(National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering)和國家心理衛(wèi)生研究所(National Institute of Mental Health)提供支持。
工程學(xué)院簡介：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工程學(xué)院是一所名列前茅的工程學(xué)院，以致力于跨學(xué)科研究合作而聞名。該學(xué)院以致力于解決科學(xué)和實(shí)踐重要性問題而聞名于世。該學(xué)院的“創(chuàng)造者”文化植根于其所做的一切，帶來了新的方法和變革性成果。該學(xué)院備受贊譽(yù)的教師團(tuán)隊(duì)專注于創(chuàng)新管理和工程，以帶來變革性成果，提振學(xué)院所在社區(qū)、國家和世界的知識(shí)和經(jīng)濟(jì)活力。
卡內(nèi)基梅隆大學(xué)簡介：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(www.cmu.edu)是一所國際排名靠前的私立大學(xué)，其課程包括科學(xué)、技術(shù)、商業(yè)以及公共政策、人文和藝術(shù)等。該大學(xué)七所學(xué)校和學(xué)院的13000多名學(xué)生獲益于較小的師生比以及以專注于為真正的世界問題、跨學(xué)科合作和創(chuàng)新開發(fā)和實(shí)施解決方案為特色的教育。
