明東：“腦語密碼”破譯者

弘揚(yáng)科學(xué)家精神·青稞力量

“如果把大腦信號的密碼比作密碼本，那將是一本厚厚的字典，我們現(xiàn)在能夠看到的，僅僅是這本字典第一頁的前幾行字，未來可以通過人機(jī)融合達(dá)到人體效能增強(qiáng)，機(jī)器可以成為我們身體密不可分的一部分。”

天津大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程首席教授明東就是這個破譯“大腦密碼”的人。他和團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)近20年技術(shù)攻關(guān)，終于實(shí)現(xiàn)了我國腦—機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)的突破。在獨(dú)立研發(fā)、自主可控的路上，明東團(tuán)隊(duì)走在創(chuàng)新的最前列，他們獨(dú)立研發(fā)的無創(chuàng)腦—機(jī)接口系統(tǒng)和腦—機(jī)交互芯片，保持著3項(xiàng)性能指標(biāo)最高的世界紀(jì)錄。

幫助病人，研究腦—機(jī)接口技術(shù)的初心

1994年，明東考進(jìn)天津大學(xué)精儀學(xué)院，選擇了當(dāng)時最熱門的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)習(xí)。說起從事腦—機(jī)接口研究，明東感慨地說：“我在讀博期間，看到許多截癱患者后期康復(fù)治療非常困難，醫(yī)生也束手無策。當(dāng)時我就想，是不是能通過機(jī)器，幫助神經(jīng)損傷患者建立新的人工運(yùn)動神經(jīng)通路，使其重獲運(yùn)動能力。”

最初的信念，讓明東博士畢業(yè)后，面對國外多所名校的錄取邀請時，毫不猶豫選擇留在母校當(dāng)一名教師和開拓者，立志讓腦—機(jī)接口這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)擁有中國話語權(quán)。

“大腦在想象或執(zhí)行身體運(yùn)動時都會伴生類似‘放電’行為，通過機(jī)器采集和讀取腦電信號，再破譯并傳輸這一信號，讓身體執(zhí)行，就可以為截癱患者建立新的人工運(yùn)動神經(jīng)通路。”明東介紹說，這個原理雖簡單，實(shí)施起來并不容易。腦電信號微弱到百萬甚至千萬分之一伏，捕捉破譯腦電信號類似于在非常嘈雜的公共空間聽清聽懂一個人的低聲細(xì)語，還需要克服頭發(fā)、頭皮、顱骨等對信號的重重“阻擋”。

在一間不足20平方米的小房間里，明東的研究起步了。課題經(jīng)費(fèi)緊張，實(shí)驗(yàn)條件簡陋，就連必需的實(shí)驗(yàn)儀器和科研設(shè)備都要四處去借。明東回憶說，搞科研就是一個不斷試錯的過程，既煎熬又焦慮，后面的一點(diǎn)小突破，往往都是積累到一定程度的必然。

2014年，“神工”系列人工神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)終于研制成功，在天津、山東多家三甲醫(yī)院進(jìn)行了上千例的康復(fù)測試。中風(fēng)偏癱患者在“神工”幫助下，可以“所思即所動”，反復(fù)訓(xùn)練后起立行走、拿筆書寫，直至神經(jīng)細(xì)胞重塑，慢慢康復(fù)。

“神工”系列設(shè)備仍在不斷進(jìn)化，預(yù)計(jì)“腦語者”芯片應(yīng)用后，“神工”系列將如虎添翼，患者將不再需要依賴電腦就能實(shí)現(xiàn)康復(fù)功能。速度更快，功能更強(qiáng)，帶來更加高效的腦信息檢測方式，更加拓展的腦—機(jī)交互帶寬和解碼精準(zhǔn)性。

大顯身手，改變未來的勇氣沒有上限

實(shí)現(xiàn)了最初的夢想后，明東在人腦神經(jīng)信號與外部機(jī)械之間連接領(lǐng)域，朝著更遠(yuǎn)的一個個目標(biāo)跋涉。2016年，天宮二號和神舟十一號載人飛行中，兩位航天員完成了一項(xiàng)頗具科幻色彩的前瞻性實(shí)驗(yàn)：人類歷史上首次太空腦—機(jī)交互。明東正是這套神奇的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)者。

“上天設(shè)備既要照顧到荷載限制，又要在太空全部完成主動式、被動式、反應(yīng)式3種主流范式的任務(wù)，系統(tǒng)要求重量小、性能高、更集約。”明東又考慮把功能更強(qiáng)大的腦—機(jī)編解碼集成芯片作為研究方向。

明東說：“我未必能改變未來，但是至少要有改變未來的勇氣。”硬件、芯片、算法、傳感、編碼、優(yōu)化……一個個困難和瓶頸如影隨形，基于獨(dú)立研發(fā)和國產(chǎn)可控，很多實(shí)驗(yàn)儀器和技術(shù)集成都需要自己打造，越前進(jìn)越能發(fā)現(xiàn)一切都是全新的，無章可循，無矩可蹈。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，唯有反復(fù)探索實(shí)踐。

終于，在2019第三屆世界智能大會上，“哪吒”橫空出世，技驚四座。它裝備了世界首款腦—機(jī)編解碼集成芯片——“腦語者”，能夠采用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對極微弱腦電特征進(jìn)行精細(xì)分辨與快速解碼，輸出一個指令僅需1.7秒，首次實(shí)現(xiàn)了一個108個字符的高速腦—機(jī)交互系統(tǒng)，也創(chuàng)造了目前頭皮腦電BCI在線控制最大指令集的世界紀(jì)錄。

目前，腦—機(jī)接口領(lǐng)域已經(jīng)成為世界各大科技強(qiáng)國的競技場，技術(shù)發(fā)展迅猛，幾年內(nèi)腦—機(jī)交互性能就提升了10倍。說到腦—機(jī)交互的明天，明東充滿激情地說，從智能而來，到智能而去。未來不是人工智能取代人，而是通過互聯(lián)互通讓它成為人的一部分，毫無隔閡的人機(jī)混合是未來必然的歸宿。(陳 曦)

關(guān)鍵詞： 腦語者芯片