近期,西安《2023年八个方面重点工作任务分工推进方案》印发,其中说到着力壮大支柱产业和新兴产业,稳步加快新兴产业壮大成势,制定新兴产业发展三年行动方案,其中提到脑科学等一批未来产业。

西安脑科学技术发展到了什么阶段?这一领域状况如何?

2023年2月22日,华商报记者专访了西北工业大学电子信息学院谢松云教授(从事脑科学和人工智能交叉研究二十多年的学者),了解了它的现状和未来。


【资料图】

>>现场感受

无人机编队飞行控制:

给个眼神,无人机队伍就“翻个跟头”

在2018年华商报记者曾探秘西北工业大学团队研发的脑控技术。谢松云教授所带领的神经信息团队在该领域取得了重大突破。操作者盯着屏幕上的灯,机器人就会动;大脑进行想象就能控制无人机左右运动;原理为系统检测到脑电波后转化为控制信号,实现脑控。

2023年2月22日,华商报记者再访谢松云教授,现场感受了脑科学研究中的新技术:无人机编队飞行控制、虚拟驾驶中驾驶员注意力检测。

现场,五架无人机并排排列等待“命令”,操作者头戴“脑电帽”,对着视觉刺激装置,装置上有9个LED灯闪烁,操作者通过注视不同的闪烁灯、脑中的想象,无人机编队即可完成不同的动作。五架无人机飞起来后,队形时而交错,时而翻跟头,很有气势。

原理是什么?谢松云介绍:“人脑控制时,脑电波检测易出现不稳定的状况,人脑也容易疲劳,所以采用人机协同控制,系统会更稳定。视觉刺激装置上,对应不同的频率提前设置了无人机不同的队形变换,频率闪烁刺激视觉后,大脑产生对应的脑电波特征,脑电波特征经编码转化为控制信号,从而实现对无人机队形变换的控制。”

通俗地讲,可以把闪烁的LED灯视为按钮,对按钮不再需要用手控制,而是眼睛看着、大脑想象,选择哪一个按钮,就会实现按钮所对应的技术功能。其中的关系为频率——人脑——解码——编码——控制。

“无人机编队在不同的环境下,通过人脑控制,可以完成无法预先规划的飞行任务,这项技术也可用于无人机避障和路径规划等。”谢松云教授说。

此外,还有脑机协同机械臂智能控制,就是通过上述原理,“指挥”机械臂对物品拿起、放下、交换、撤销,可用于残疾人辅助设施等。人脑意念支配的虚拟超市,人通过注目、大脑想象,就可选定物品。

虚拟驾驶中驾驶员注意力检测:

开车有没有分心?系统比你更先知道

操作者戴着“脑电帽”,手中拿着“方向操作器”,电脑屏幕上显示车辆在道路上行驶的画面,“脑电帽”将检测到脑电波投射到另一个电脑屏幕,从而掌握操作者的注意力情况。这时,操作者的角色等同于一辆汽车上的驾驶员。

谢松云教授介绍:“这套系统可以监测驾驶员在开车时是否注意力集中,通过检测脑电波,系统可以比驾驶员本人更早‘意识’到他有没有分心,帮助驾驶员安全行车。这项技术还可以用于睡眠监测、情绪监测、记忆力改善等。”

操作者卸下“脑电帽”时,华商报记者看到他头发上粘着类似发胶的导电膏,“导电膏可以减少人体阻抗,帮助系统对脑电波进行更精准的检测。”谢松云教授说。

>>对话脑科学专家

西工大学谢松云教授

华商报记者:近年来您带领的团队在脑科学研究方面最大的进展是什么?

谢松云教授:人机融合技术。因为靠人脑主动控制存在信号不稳定、反应慢等问题,所以将人脑的快速认知能力与人工智能能的快速计算能力相融合,建立人机统一的新的智能体,是目前脑科学和人工智能交叉研究的重点方向。

通过将脑电和眼动等人体生物特征与人工智能技术相融合,我们建立了人机融合决策模型,提高了无人机、无人车的避障性能。通俗地讲,比如,在无人机或无人车行驶时,单纯使用人工智能,对于一些障碍物或路面危险是无法检测到从而进行躲避的,但将人对突发状况的下意识反应通过脑电和眼动等检测提取出来,与人工智能的决策与控制系统相融合,无人机或无人车就会成功避开危险,安全行驶。

华商报记者:国内外脑科学研究成果产业化情况如何?

谢松云教授:发达国家在脑科学的研究起步比我国早,相关研究投入力度大。从全球看,部分脑科学的研究成果已经产业化,进入实际应用领域,比如脑机接口,也就是脑功能检测设备,主要应用在医疗领域,用于多种疾病的检查治疗。我国国内有研究团队生产的侵入式脑电图仪已远销欧洲。

大多数研究成果也仍在实验室阶段,需要进一步推进产业化,因为需要非常大的投入,另外,脑科学是一门交叉学科,涉及神经生物学、心理学、电子、信息、计算机、数学、伦理学、哲学等,非常复杂,大脑的不确定性较多,系统的稳定性还需要时间去研究和完善。

医疗领域的应用中,脑机接口使用的脑电信号采集方式有侵入式和非侵入式等,侵入式就是通过医疗手段,把仪器装入患者颅内,仪器可以精准地感应到神经元活动,从而精准地获取脑电波,最后用脑电图显示出来,这种方式需要专业医生的开颅手术才能完成,对患者造成一定的损伤,目前多用于比如癫痫患者等临床治疗;非侵入式就是把仪器装在患者颅外,对人体没有伤害,但缺点是获取的脑电信号微弱,精准度相对低。

华商报记者:脑科学研究成果在现实中还有哪些应用?

谢松云教授:脑科学涉及多个专业领域,又和多个学科交叉,相互作用、相互促进,对于有的应用是直接作用,有的是间接作用。上述我们讲的“脑控”,通俗地讲,可以理解为对一些按键,之前我们用手按,现在用脑意识按。

目前,已用于对多动症儿童的治疗,举例说明:系统研发了一朵花,设定了开花等动作,患者戴上相应的设备,看着这朵花,假使想让这朵花开花,当设备收集到患者集中注意力产生的脑电波后,就会通过程序,产生类似给花浇水等作用,让花慢慢成长开放,而这一过程可以让患者注意力集中,从而达到治疗的目的。另外,在电子游戏中,体验者在额头贴一个脑电级,用同样的原理,体验者可以用脑意识“指挥”,控制比如赛车游戏中加速等某一个动作,增强游戏体验感。

需要注意的是,“脑机交互”是一个双向作用,上述我们讲的是用“脑“控制“机”,即人脑输出,同“机”也可以刺激“脑”。这样的反向刺激目前在医院临床已用于癫痫病的治疗,用研发出来的系统,刺激患者的大脑神经元,比如杀死错误的神经元,激活有功能的神经元,从而让患者病情得到改善,这些均需要专业医院专业医疗团队进行操作。

同样的原理,也可以用于对抑郁症、失眠症、老年痴呆症的治疗,这类疾病的产生均与脑神经有关。研发出来的系统,通过反向刺激脑神经元,可以让神经元变得积极起来,使人开心起来。改善睡眠、改善痴呆症也是同样的原理。畅想一下,也许将来,就会有让人开心、催人睡眠、唤醒人记忆的智能产品。

助老设备、残疾人辅助设备,采用了“脑”控制“机”的原理,可以成为老年人、残疾人的生活好帮手。这类设备适用于大脑健康的人群,但设施成本大,脑电波采集方式需要更优化,目前基本还处于试验阶段。

华商报记者:西安脑科学发展如何?有什么优势?

谢松云教授:西安的脑科学发展是有优势的,高校、研究所、企业之间合作密切,在相关技术和产学研方面都有优势,目前科研成果位于全国前列。陕西有脑科学联盟,多家单位经常在一起交流、讨论、合作,促进发展,互不冲突。不同研究背景的单位各有所长,西北工业大学起步早,擅长多模态脑电特征提取和人机融合无人机系统控制,有部分高校主攻残疾人辅助设施控制,科研成果更多用于临床医学等。

西安在脑科学方面起步早,有多方面的研发和应用,技术力量和积累雄厚,有政府的推动,一定会大大加速脑科学的进展。

华商报记者:脑科学研究成果可用于哪些领域?

谢松云教授:可用于非常广泛的领域,我国老龄化已来临,脑科学将会对助老设备起到很大作用,此外,还可以用于残疾人辅助设备、医疗、无人驾驶、工业、救援救灾、教育、服务机器人产业、娱乐等领域,相信未来有广阔的前景。人工智能已经开始进入现实,脑科学研究成果的转化和落地,将实现人机协同乃至人机融合,可以使技术更精准更有效地为人类服务。目前,国家和陕西省对脑科学的发展非常重视,从资金、人才引进、产学研结合、成果转化等方面投入了相当大的支持,建议西安在这方面的发展可以更大胆一些,步子迈得更大一些。

华商报记者 任婷/文 强军/图

关键词: 人工智能 研究成果