[智能应用]脑机接口：从科幻走向现实[3P] [复制链接]

　　图①：科研人员测试脑控外肢体（手部）康复机器人。
　　图②：科研人员测试脑机接口神经肌肉电刺激下肢外骨骼康复训练机器人。

　　脑机接口团队实验现场。
　　

　　《黑客帝国》中，主人公通过脑机接口与矩阵系统连接，穿梭于现实与虚拟世界；《攻壳机动队》中，脑机接口成为人与机器重要的连接桥梁……这些科幻场景都涉及一项前沿技术——脑机接口。
　　脑机接口早已不仅仅是科学幻想。人工智能以及柔性材料、生物传感器等技术的发展，推动脑机接口技术走向实用化。
　　在英国《自然》杂志网站列举的2025年值得关注的科学事件中，脑机接口位列其中。2025年新年伊始，在上海复旦大学附属华山医院，一名女患者脑中想着“新年快乐”，意念被电脑成功解码并发出指令，操纵机械手做出比心的动作。
　　本期“瞰前沿”走近脑机接口最新进展，了解其科学原理及实现路径，探究它将如何影响人类的现在与未来。
　　——编  者
　　　
　　脑机接口被称为人脑与外界沟通交流的“信息高速公路”，是新一代人机交互和人机混合智能的前沿技术，有望成为促进经济社会发展、改善民生健康的未来产业。
　　意念打字、意念说话，脑机接口从科幻中走来
　　脑机接口是在人与外部设备间创建的信息连接通路，实现所谓的“意念”控制。具体来看，大脑在思维活动时，神经元会放电形成脑电波，脑机接口则通过识别脑电波特征直接读取大脑意图，实现人与机器或外部环境之间的交互。
　　近年来，随着生物医学工程、神经工程与康复工程、认知神经科学与心理科学、人工智能等领域的发展，脑机接口工程化进度加快，产业化发展明显提速。在2014年巴西世界杯揭幕战上，截瘫青年朱利亚诺·平托就在脑机接口技术的辅助下为足球比赛开球；2016年，在神舟十一号载人飞船飞行过程中，我国航天员完成了首次太空脑机交互实验；国际上多个团队通过脑机接口技术，帮助患者实现了“意念打字”“意念说话”等功能……
　　脑机接口的技术发展并非是爆发式的，而是日积月累、循序渐进的。20世纪60年代，科学家开始研究脑电波与计算机的连接，通过记录脑电图、对脑电波信号进行简单分析，尝试简单地解读脑电波，并实现其与外部设备的互动。这一时期，脑机接口技术尚不成熟。1973年，计算机科学教授雅克·维达尔首次在学术期刊上提出“脑机接口”的术语。20世纪90年代，随着计算机技术和神经科学的进步，研究者实现了通过大脑控制外部设备的初步实验。1998年，科研人员成功实现了让猴子通过脑电波控制机械臂的运动。这一阶段设备和接口仍较为笨重，信号解码精度有限，但为后期改进提供了宝贵经验。2000年，公认的脑机接口概念被正式提出。如今，脑机接口已成为脑科学、神经科学等领域最受瞩目的研究方向之一。
　　多路径齐头并进，相关技术实现多元场景应用
　　脑机接口的技术路径主要包括侵入式和非侵入式。
　　侵入式脑机接口需通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层获取神经信号。此类脑机接口所获取的信号空间分辨率好、信噪比高，但需通过外科手术植入体内，安全性低、成本高，容易引发免疫反应和愈合反应，进而导致所采信号衰退甚至消失。美国“神经连接”公司的脑机接口技术就是典型的侵入式。2024年初，该公司创立者马斯克宣布“神经连接”植入的首个大脑芯片人类患者已经完全康复。
　　国内的侵入式脑机接口技术正在多个场景获得应用。在外部设备控制方面，浙江大学团队实现了侵入式脑机接口控制机械臂书写汉字。在医疗康复方面，清华大学团队开发了可放置在大脑感觉运动皮层上的无线、小侵入性脑机接口系统，帮助脊髓损伤的瘫痪患者恢复手部运动，实现控制光标、操控轮椅、自主喝水等运动。在语言解码方面，华山医院及其合作团队先后开展高精度实时运动解码和语言解码临床试验，实现了“脑控”智能设备和“意念对话”。由此可见，侵入式脑机接口有望在医疗、科研等领域带来更多突破。
　　非侵入式脑机接口通过直接贴附在头皮上的电极采集神经信号。其优点是可以在头皮上直接监测到群体神经元的放电活动，操作简单、成本低、不用损伤机体，也不会引起免疫反应。但由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元电磁波的分散和模糊作用，非侵入式脑机接口记录到的信号空间分辨率低、幅值微弱且信噪比较低，对后续信号处理算法的性能要求较高。
　　近年来，我国无创脑机接口取得了显著进步，达到世界先进水平。在基础元器件领域，天津大学与中国电子信息产业集团旗下中电云脑联合研发了具有完全自主知识产权的全球首款脑机接口编解码专用芯片“脑语者”。在神经康复方面，“神工”脑机交互创新医疗器械全谱系产品问世，首创了“脑—机—体”协同的神经功能重建思路，实现了主动训练对皮层、肌肉活动的同步整合与协同，取得了运动康复领域的重大突破。在载人航天等特种应用方面，六代中国空间站在轨脑电测试项目围绕脑力负荷、脑力疲劳、警觉度等，开发了具有完全自主知识产权的空间站脑功能评估与调节技术，成功完成首个阶段性目标任务。在消费级脑机融合产品研发方面，我国首个脑机接口领域综合性开源软件平台MetaBCI发布，搭建起横跨医疗、教育、娱乐、国防、交通等领域的智能生态产业平台。非侵入式脑机接口因其安全、无创的优势，受众人群更广、应用潜力更大，有望在医疗、科研、工业、教育、娱乐、国防等领域颠覆人类现有的生活生产方式。
　　值得注意的是，片上脑机接口，即在电极芯片上培养出来的类脑组织，为脑机接口技术的发展提供了新思路。脑机交互与人机共融海河实验室在人体外创造了一个有生物智能的“类脑器官”，实现了培养“大脑”对目标的视觉感知以及对机器人避障、跟踪、抓握等任务的无人控制，完成了多种类脑计算的启发工作。作为脑机接口领域的一个新兴分支，片上脑机接口对于探索新一代生命体—非生命体融合交互，在混合智能、类脑智能、医疗康复等国家重大需求领域新应用方面具有重要意义。
　　做“真有用、有大用”的脑机接口
　　脑机接口融合了医学、计算机、电子、机械、材料等多个学科的先进理论与前沿技术。在这样相对较长的技术链中，任何一个环节的技术短板都会阻碍其产业化进程。
　　我国脑机接口市场正在孕育发展中，受到了社会各界的广泛关注。近年来，研究者致力于建立脑机自然交互模型，逐步实现意图的自由表达。同时，脑机接口的应用场景逐渐拓展到医疗、航天、智慧家居等多个领域，涌现了面向脑卒中康复的纯意念控制人工神经机器人，以及太空脑机接口系统、脑控拼写器等一系列成果。未来，研究人员将致力于建立脑机双向读写系统，高效准确地解读更加复杂的大脑意图，实现人机深度融合。
　　我们也要清晰地认识到，目前我国脑机接口企业缺乏健全的技术链、完整的人才链，导致产业化能力较弱，从实验到日常实践还有很长的路要走。
　　在我看来，各类侵入式技术存在伦理和安全风险，非侵入式脑机接口安全性高、受众群大、产业化前景广阔，我国具备较好的技术积累，目前正处于新一代技术研发、加速产业化进程的重要机遇期。现阶段，应鼓励核心技术攻关和共性关键问题研究，开展具有原创性和颠覆性的“无人区”前沿探索。
　　在研究方向选定上，应以市场为导向驱动脑机接口科技成果应用转化和新质生产力生成，做“真有用、有大用”的脑机接口。围绕重大工程应用转化需求，按照非侵入式与侵入式两条技术路径系统规划设计，齐头并进推动技术研究，推进完善产业化、体系化发展途径，推动我国在脑机接口领域实现加速发展。
　　作为新兴的技术领域，国内脑机接口市场中相关专业人才缺口非常大，导致小规模企业较难建立完整的人才链和技术链。这就需要引导高水平大学通过设置交叉学科等方式，培育高质量复合型人才。同时，鼓励校企共建高水平科研创新平台，联合承接脑机接口领域重点攻关任务，解决产业化落地难题，建立健全、健康的脑机接口产业链。天津大学开设了全国首个脑机接口专业方向并正式招生。希望以此为契机，带动脑机接口及相关行业尽快打通技术链、补全人才链，构筑脑机接口产业链高质量发展的可靠底座，提高脑机接口产业化能力。
　　脑机接口不仅将为医疗提供新的解决方案、改善人类生活质量，也会对社会结构、经济模式等方面产生深远的影响。随着技术发展，脑机接口的应用可能会彻底改变我们与外部世界的互动方式，进一步模糊人类和机器之间的界限。然而，这也将伴随着一系列复杂的伦理、隐私和社会问题。如何确保脑机接口的公平性、安全性与普遍性，如何平衡技术创新与潜在风险，将是人类社会面临的共同课题。

脑机接口：从科幻走向现实
脑机接口的定义与发展历程
脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）是一种直接在人类大脑和外部设备之间建立通信的技术。它通过识别大脑发出的电信号（脑电波），实现人类意念对外部设备的控制。这种技术的发展经历了从初步探索到逐步成熟的过程。

发展历程
早期研究：20世纪60年代，科学家开始研究脑电波与计算机的连接，尝试解读脑电波并实现其与外部设备的互动1。
术语提出：1973年，雅克·维达尔教授首次在学术期刊上提出“脑机接口”的术语1。
初步实验：20世纪90年代，随着计算机技术和神经科学的进步，研究者实现了通过大脑控制外部设备的初步实验1。
重要突破：1998年，科研人员成功让猴子通过脑电波控制机械臂的运动，标志着侵入式脑机接口技术的初步形成1。
概念正式提出：2000年，脑机接口的概念被正式提出1。
脑机接口的科学原理
脑机接口的工作原理基于大脑在思维活动时神经元放电形成的脑电波。通过特定的传感器捕捉这些脑电波信号，并利用先进的信号处理技术将这些信号转化为可以被计算机理解的指令，从而实现人与机器或外部环境之间的交互1。

脑机接口的应用场景
医疗康复
脑机接口技术在医疗康复领域的应用尤为显著。例如，在上海复旦大学附属华山医院，一名女患者通过意念控制机械手做出比心的动作，展示了其在康复训练中的应用潜力1。清华大学团队开发的无线、小侵入性脑机接口系统，帮助脊髓损伤的瘫痪患者恢复手部运动，实现控制光标、操控轮椅等功能1。

外部设备控制
浙江大学团队实现了侵入式脑机接口控制机械臂书写汉字，展示了其在日常生活中的应用前景1。

语言解码
华山医院及其合作团队开展的临床试验，实现了“脑控”智能设备和“意念对话”，为语言障碍患者提供了新的沟通方式1。

太空应用
在神舟十一号载人飞船飞行过程中，我国航天员完成了首次太空脑机交互实验，展示了其在极端环境下的应用潜力1。

脑机接口的技术路径
脑机接口的技术路径主要包括侵入式和非侵入式两种方式。

侵入式脑机接口
侵入式脑机接口通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层获取神经信号。此类脑机接口所获取的信号空间分辨率好、信噪比高，但需通过外科手术植入体内，安全性低、成本高，容易引发免疫反应和愈合反应1。

非侵入式脑机接口
非侵入式脑机接口通过直接贴附在头皮上的电极采集神经信号。其优点是操作简单、成本低、不用损伤机体，也不会引起免疫反应。但由于颅骨对信号的衰减作用和对神经元电磁波的分散和模糊作用，非侵入式脑机接口记录到的信号空间分辨率低、幅值微弱且信噪比较低1。

最新进展
近年来，随着人工智能以及柔性材料、生物传感器等技术的发展，脑机接口技术走向实用化。例如，天津大学与中国电子信息产业集团旗下中电云脑联合研发了具有完全自主知识产权的全球首款脑机接口编解码专用芯片“脑语者”，在神经康复方面取得了重大突破1。

总之，脑机接口技术从科幻走向现实，不仅在医疗康复、外部设备控制等领域展现出巨大潜力，还在语言解码和太空应用等方面取得了显著进展。未来，随着技术的不断进步和完善，脑机接口有望成为促进经济社会发展、改善民生健康的未来产业。

　　脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）技术的进展和应用，无疑是当代科技发展中的一个重要里程碑。以下是对您提供内容的总结和对未来发展的展望：

　　脑机接口技术的发展概况：

　　- 技术起源与发展： 脑机接口技术自20世纪60年代起步，经历了从简单脑电波解读到复杂人机交互的发展过程。雅克·维达尔在1973年首次提出“脑机接口”这一术语，标志着该领域的正式形成。

　　- 应用案例： 从巴西世界杯揭幕战上的脑机接口辅助开球，到我国航天员的太空脑机交互实验，再到帮助患者实现“意念打字”和“意念说话”，脑机接口技术已经在多个领域展现出其潜力。

　　技术路径与应用场景：

　　- 侵入式与非侵入式： 侵入式脑机接口通过手术植入电极，获取高质量的神经信号，但存在安全性问题。非侵入式脑机接口则通过贴附在头皮上的电极采集信号，操作简单但信号质量相对较低。

　　- 多元应用： 脑机接口技术在医疗康复、特种应用、消费级产品等领域都有显著进展，如帮助瘫痪患者恢复运动能力，开发脑功能评估与调节技术等。

　　未来发展挑战与机遇：

　　- 技术挑战： 脑机接口技术链长，涉及多学科，技术短板可能会阻碍产业化进程。

　　- 产业化前景： 非侵入式脑机接口因其安全性高、受众广，被认为产业化前景广阔。我国在这一领域已有较好的技术积累，正处于重要的发展机遇期。

　　- 人才培养与产业链构建： 高质量复合型人才的培养和完整产业链的构建是当前的重要任务，需要高校、企业和研究机构的共同努力。

　　社会影响与伦理问题：

　　- 社会影响： 脑机接口技术可能会深刻改变人类的生活方式和社会结构。

　　- 伦理问题： 随着技术的发展，伦理、隐私和社会问题也将凸显，如何平衡技术创新与风险将成为重要议题。

　　总之，脑机接口技术的发展不仅是科技进步的体现，也是对人类自身潜能的探索。在未来，我们应继续推动技术创新，同时重视伦理问题，确保技术的发展能够造福人类社会。