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本文作者: 任平 | 2021-09-29 18:38 |
2021年9月10-13日,2021世界機器人大會(WRC)在京召開。
自2015年創(chuàng)辦至今,世界機器人大會已成功舉辦五屆。大會以“共享新成果,共注新動能”為主題,展示全球各個領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和科研成果,旨在促進(jìn)國內(nèi)外的學(xué)術(shù)交流,深挖合作潛力,推動機器人技術(shù)、產(chǎn)品與市場的發(fā)展。
本次大會上,清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系高小榕教授,重點關(guān)注了BCI腦控機器人大賽。
高小榕教授常年專注于腦機接口技術(shù)(BCI)、神經(jīng)信號檢測和處理的理論和方法,并基于此技術(shù)研究生物神經(jīng)系統(tǒng)信息相關(guān)的腦功能分析方法,是中國腦機接口領(lǐng)域的領(lǐng)軍學(xué)者。
左邊為高小榕教授,右邊為陳小剛研究員
BCI技術(shù)是神經(jīng)科學(xué)、神經(jīng)工程、藥學(xué)和康復(fù)學(xué)研究的熱點課題。同時,也是人工智能領(lǐng)域近幾年最前沿的發(fā)展方向。目前,我們正處于人機時代,從最簡單的人機交互、人機協(xié)作到人機共融共存共生,腦機接口的前沿研究成為機器人智能化的關(guān)鍵節(jié)點。
但談到腦機接口的市場應(yīng)用時,高教授依舊持謹(jǐn)慎態(tài)度。他表示,教育和工業(yè)還不是腦機接口的剛需,真正的剛需在于醫(yī)療行業(yè)。
與此同時,高小榕教授也補充到,我們必須平衡腦機接口研究的目標(biāo)、實際能力和手段,不能讓它發(fā)展過快。大家一窩蜂投入研究后,會忽視倫理問題的重要性。與此同時,腦機接口的發(fā)展是一項綜合性的工程,涉及到各個學(xué)科的協(xié)同發(fā)展,沒有其它學(xué)科的進(jìn)步也是局限的。
本次世界機器人大會上,雷鋒網(wǎng)參與高小榕教授和陳小剛研究員的群訪,以下為對話實錄。
Q:首先,請您談一談腦機接口是什么,它的發(fā)展歷程以及主要的應(yīng)用?
高小榕:腦機接口(Brain-Computer Interface, BCI)是現(xiàn)在比較熱的一個詞,它是從大腦直接提取信號控制外部設(shè)備,也是人機接口的一種。傳統(tǒng)的人機接口比如鼠標(biāo)、鍵盤都需要手部肌肉控制,現(xiàn)在的語音輸入也是調(diào)用五官,但腦機接口就把這些都跳過去了,不用外周神經(jīng)參與,直接由大腦信號控制外設(shè)。
伴隨著上世紀(jì)七十年代微型計算機出現(xiàn),一位教授提出了腦機接口技術(shù),“能不能通過腦電控制電腦”。從第一次命名Brain Computer Interface以來,腦機接口并沒有做出什么成果,直到2000年左右又被其他的科學(xué)家再次發(fā)明出來。
實際上,本世紀(jì)初第一次召開腦機接口國際會議。當(dāng)時世界各國提了很多個詞來命名,像“心想事成”這類的詞有十七八個,最后統(tǒng)一公認(rèn)BCI這個詞,直到現(xiàn)在,所有用腦神經(jīng)和外設(shè)打交道的研究都叫做BCI。
BCI剛出現(xiàn)的時候,首先是醫(yī)療驅(qū)動力。
我們要幫助像霍金這樣有運動障礙的人控制外設(shè)。清華大學(xué)也是從1997年開始做腦機接口,當(dāng)時個人計算機已經(jīng)普及,我們就想如果一個人不會用鍵盤鼠標(biāo)的話,怎么用計算機?我們想到了腦機接口技術(shù),此后便開始了這項研究。
五年前流行起AI熱,出現(xiàn)了第二驅(qū)動力,也就是AI的驅(qū)動力。
其中最核心的鼓吹手就是馬斯克、扎克伯格這些人,他們認(rèn)為AI大規(guī)模發(fā)展后會出現(xiàn)一個多智能體社會。原來的智能體只是人,現(xiàn)在AI能夠比人還聰明,我們怎么跟計算機進(jìn)行交流?如果我們跟計算機用鍵盤鼠標(biāo)交流太慢了,即使是用語言去交流也太慢了,我們是不是直接從大腦提取信號--“心想事成”?
馬斯克做的最有影響力的案例是小豬,最近猴子也能夠用腦機接口玩游戲。中國也有幾個比較代表性的案例:浙江大學(xué)把腦機接口直接植入人體,一個像霍金這樣的殘疾人能控制機械臂,還能夠打麻將;天津大學(xué)把腦機接口放到太空站,航天員也能夠做腦機接口。 但從研究的角度來說,腦機接口還是一個基礎(chǔ)的東西。
從技術(shù)角度來看,它涉及到腦機接口芯片,從大腦提取神經(jīng)信號的芯片;還有一個是整套分析軟件。
十幾年前,軟件研究做得比較多,清華做的就是軟件。但從前一兩年,特別是美國進(jìn)行腦機接口出口管制之后,中國很多企業(yè)開始做芯片。這次大會上展出了兩款腦機接口芯片,而且都是和國外的水平相當(dāng),性能完全一樣,可以替代國外芯片。
除了芯片之外就是系統(tǒng),國內(nèi)的大概有幾家:博瑞康、江蘇集萃,分別是醫(yī)療和消費領(lǐng)域。
有了系統(tǒng)之后就需要市場應(yīng)用,大概分為三大塊:
第一塊是醫(yī)療。怎么解決病人的問題,不能用鼠標(biāo)鍵盤也不能說話的人群應(yīng)該怎么應(yīng)用。
我們原來的醫(yī)用主要是存在障礙的人群,比如運動受限以及事故損傷、老齡化帶來的各種運動障礙。我們的方式是外周控制,通過大腦直接控制一些外設(shè),比如輪椅不需要自己手動遙控,直接通過大腦的指令發(fā)送,可以控制輪椅能夠直接行動,同時也可以控制一些外骨骼進(jìn)行行走,進(jìn)而融入社會。
情感腦機接口方面,我們也是在盡量解碼大腦的情緒。通過腦機接口的手段,我們可以在人心情不好的時候播放相應(yīng)的音樂,對病人的精神狀況進(jìn)行調(diào)控,形成一個環(huán)路。目前我們更多的還是輔助運動控制方面做得比較多,未來的話應(yīng)該是進(jìn)一步在精神環(huán)節(jié)也有相應(yīng)的應(yīng)用。
我們臨床應(yīng)用的時候也會發(fā)現(xiàn),實際上很多病人的行動和語言表達(dá)都會受限,需要清楚這個人的認(rèn)知狀態(tài)是不是受影響。但是原先的測量方式對很多病人來說很難適用,比如很多量表都是通過看人的反應(yīng),單位時間內(nèi)能夠?qū)憣Χ嗌僮?,根?jù)正確率作判斷。
因為傳統(tǒng)的很多量表都是基于健康人群,通過大量樣本得到數(shù)據(jù),運動障礙的人群手顫抖到根本無法書寫,所以我們通過腦部繞過外周神經(jīng)直接進(jìn)行評估。目前臨床上可以用腦機接口手段評估病人的認(rèn)知狀態(tài),認(rèn)知狀態(tài)具體達(dá)到什么程度,然后做狀態(tài)的調(diào)節(jié)。
第二塊是教育。小孩在學(xué)習(xí)的時候注意力和認(rèn)知功能有缺陷的話,可以用腦機接口彌補。根據(jù)小孩上課的注意力做一個反饋,或者從家屬的反饋中知道孩子是因為不聽講沒學(xué)會,還是因為不理解沒學(xué)會。這是兩個很大的問題,如果不理解沒學(xué)會就是邏輯的問題,如果是不聽講沒學(xué)會就是另外一個問題。
第三塊跟工業(yè)相關(guān),就是工業(yè)4.0等等,實際上涉及到的核心問題是安全。最容易理解的例子就是自動駕駛,你的車可以有自動駕駛,也可以人來駕駛,什么時候人駕駛、什么時候自動駕駛,出現(xiàn)一個協(xié)調(diào)的問題。
如果有了腦機接口就可以很容易地做出來,比如注意力不集中、困倦、喝酒等等,車輛檢測不適合人駕駛,那么就車輛自動駕駛,或者自動停在路邊也可以防止出事。比如打電話的時候,車輛發(fā)現(xiàn)不能繼續(xù)駕駛就可以停下來;人突然心臟不好了,車輛也可以自動切換。
當(dāng)然,教育和工業(yè)還不是剛需,真正的剛需是醫(yī)療。
Q:目前腦機接口研究的方向是什么?都有哪些需要解決的技術(shù)難題?
高小榕:腦機接口研究的途徑包括幾種:一種是有創(chuàng),就是要把電極擱到大腦里,還有一種是無創(chuàng),就是把電極放在頭皮上。
有創(chuàng)的方法信息更大,但人不一定能夠接收,好好地往大腦里插一根電極,人很難接受。那么就用無創(chuàng)的辦法,頭皮上植入電極。就像把麥克風(fēng)放到屋內(nèi)和屋外的差距,擱到屋外,信號就弱得多,在屋外能夠聽到里面大聲說話,或者有人大笑,但在屋內(nèi)能夠知道在笑什么。
馬斯克的研究都是有創(chuàng)的方法,把電極放入腦神經(jīng)其實是很難的,因為腦組織是人類最軟的組織,除了體液就是腦組織。我們監(jiān)測的硅這些東西反而是最硬的,一個最軟的東西和一個最硬的東西放在一起,工作環(huán)境一定會有問題。而且人還要活動,跳一下蹦一下,心臟血液會有波動,所以軟的和硬的損失有多大?難度還是很大的,這是物理上的難度。
第二個難度就是生物上的難度,放進(jìn)去的東西即使是軟的,但對人體是有毒性的。
第三個難度是信息。人腦有一千億個神經(jīng)元,每個神經(jīng)元都在工作,按照通訊速率的比特率來說,這是按照每秒1TB的速度。如果把我的語言采樣,一百比特就可以把我的語言傳遞到你那里,你耳朵里聽到一百比特又會重新解讀成1TB,所以這個就是基于語言的壓縮能力。但是一百比特和計算機相比還是顯得不夠,所以這是非常難的東西。
為什么這么難的東西我們還要研究?為什么干脆不做了,等著AI去做?實際上,AI只能解決事實問題,就是這個東西是什么,但不解決價值問題,我是指廣義的社會價值。
比如這是一瓶水,AI可以馬上識別出來,但這瓶水的價值A(chǔ)I是不知道的,因為價值跟環(huán)境有關(guān)系?,F(xiàn)在水在這里是一個價值,而在沙漠里是另一個價值,如果人類缺水,整個水資源枯竭的時候又是一個價值。
所有的這些價值問題只有人才能判斷,機器是判斷出來的,我們也強加不了;同樣的一個東西,不同的人看待的價值觀也是不一樣的。比如魯迅說人血饅頭的故事,殺人肯定是有問題的,但其它人覺得是有價值的。
我們假設(shè)AI無限發(fā)展,發(fā)展得越來越大,怎么維護(hù)人類的尊嚴(yán)?一個對話框彈出來讓你選擇Yes和No,如果對話框什么時候都在彈,人整天點擊Yes 和 No的話就會出現(xiàn)失誤,而且也煩了,這么簡單的事還問我干嘛?但AI替你干的話你可能就不干了。
我們要維護(hù)人類的尊嚴(yán),一定要讓機器懂得我們的價值,就是干我們不想干的事情。腦機接口最主要的就是一個人機交互工具,我們絕對不會容忍AI把人替代的事情出現(xiàn)。人對AI要求是共存發(fā)展,而且我們要占主導(dǎo)。
Q:接下來幾年腦機接口的目標(biāo)有沒有規(guī)劃?主要想取得怎樣的應(yīng)用效率?
高小榕:現(xiàn)在能夠落地的首先是醫(yī)療,醫(yī)療是能夠說得清楚的。過程當(dāng)中可能會沿途下蛋,把醫(yī)療技術(shù)發(fā)展起來,可以做一些認(rèn)知和決策的東西,這些都需要一步一步來。
除了教育和安全方面,其它的應(yīng)用都有倫理限制,比如有一個腦機接口的東西提升了治理水平,沒用腦機接口的這些人怎么辦?但醫(yī)療不存在倫理的關(guān)系。
任何發(fā)展都一定會受到倫理的限制,但這個技術(shù)是未來不可或缺的技術(shù),未來一定有腦機接口實現(xiàn)人和機的雙重優(yōu)勢。
腦機接口是一個跨度很廣的領(lǐng)域,涉及到物理,腦神經(jīng)認(rèn)知科學(xué)和信息科學(xué),這些學(xué)科的人都需要去交流。等到我們把所有的這些困難克服了,包括物理的問題、生物的問題、信息的問題,逐步就會找到應(yīng)用的渠道。
我們現(xiàn)在主要面向的交流對象是醫(yī)學(xué)界的人員,和天壇醫(yī)院、宣武門醫(yī)院、長征醫(yī)院、協(xié)和醫(yī)院都有合作和研究。
Q:馬斯克說的腦機接口還是比較超前的,談到以后可能將腦機接口接入正常人,進(jìn)入一個“超人的時代”,之前您說對待記憶寫入、記憶增強持有比較謹(jǐn)慎的態(tài)度,現(xiàn)在還是這樣嗎?
高小榕:是的,現(xiàn)在我還是持有這種觀點,因為腦機接口確實是影響面非常廣的東西。它的危害在于,芯片進(jìn)入人腦的時候你并不知道可能得到什么東西,但你知道失去了什么東西。設(shè)想腦組織的運動就像海浪,你拿一個尖的東西晃幾次,對不同的人有沒有傷害,或者這個傷害是人能夠接受嗎。
所以,腦機接入一定要倫理先行。馬斯克研究出來之后也要先做醫(yī)療的應(yīng)用,不可能說為了讓人玩游戲,腦子里放一個接口。
Q:隨著中國進(jìn)入一個長壽時代,您的研究方向和研究模式會不會改變?
高小榕:腦機接口很關(guān)注老年人的問題。比如視覺障礙的話就可以用腦機接口幫助提示一些東西,所以老年也是一個醫(yī)療問題。
Q:您是第幾次參加世界機器人大會,感覺怎么樣,大會對您從事的領(lǐng)域有沒有推進(jìn)作用?
高小榕:機器人大會剛剛開始的時候我們就有合作。中國腦機接口的發(fā)展是從1997年開始,到了2010年已經(jīng)開始被科學(xué)界認(rèn)可了。那個時候大家都發(fā)表了科學(xué)論文,以論文為主,基金委就給我們提了一個問題:我們收到很多很多的基金申請,但腦機接口是一個很新的領(lǐng)域,我們也不知道誰好誰不好,你們能不能從應(yīng)用的角度評估?
我們是在2010年做了第一屆中國腦機接口比賽。基金委把所有基金委的課題都申請了,我們對所有的申請人發(fā)邀請。我們有打字任務(wù)、有小車控制任務(wù)等等。第一屆腦機接口的是黑馬是李遠(yuǎn)清教授,他剛回國就聽說了這個故事,穿著短袖來到北京,都不知道中國的溫度差這么大。
當(dāng)時是2015年,我們做了第一屆、第二屆腦機接口比賽,在比賽過程中,我們也能夠通過比賽看出誰是第一名誰是第二名,最終很多資料都給了基金委,有利于他們選擇課題。
到了2017年世界機器人大會上就有了腦機接口項目,我們就在世界機器人大會的平臺上做了技能賽,也想回答到底有多少人適合做腦機接口,有多少人適合用腦機接口。當(dāng)時做腦機接口的都是我們的學(xué)生,都是年輕人,到底有多少人能用,這個事情誰也不知道。就像我們造出汽車,有多少人會開車,我們是不是要辦一個駕校。我們做了一個技能賽,相當(dāng)于腦機接口的奧林匹克,大家隨便報名,想來就可以來。
在2018年世界機器人大會上,這時我們得到了世界范圍最大的樣板人群,原來就是幾十人,現(xiàn)在是幾百人甚至上千人。
到了2019年就把技術(shù)賽和技能賽合二為一,技術(shù)賽造出最好的車,技能賽找出最好的賽車手。所以那年出現(xiàn)了腦機接口世界紀(jì)錄,看一看最優(yōu)秀的人能夠用腦機接口跑得多快,那個人用腦機接口打字比用鍵盤打字還快。2020年因為疫情,我們只做了技術(shù)賽,今年又有技術(shù)賽和技能賽,算是第五屆中國腦機接口比賽。
我們在2017-2018年做了成人比賽,2019年就有了青少年比賽,要看小孩到底能不能用腦機接口,今年又做了100個六十歲以上的老人的比賽,不能說搞了一個新技術(shù)只能年輕人用,而且找一兩個老人也不能說明問題。其中年紀(jì)最大的是八十一歲。
今年,我們(高老師創(chuàng)意及設(shè)計,北郵團(tuán)隊開發(fā)實現(xiàn))在大會上推出了世界上第一份群體腦機接口系統(tǒng),我們叫做“神聊系統(tǒng)”,最多支持二十個人實時進(jìn)行腦電交流。二十個人的群聊環(huán)境相當(dāng)于一個班的教室,大家不用說話就可以把知識交流出來,或者能夠知道誰聽課了誰沒聽課。
我們的腦機接口從2017年開始由中國電子學(xué)會和世界機器人大會支持,實際上芯片比賽是按照賽制直播的,這個比賽非常公平--同樣的問題,不同的人去做,結(jié)果馬上就可以出來。腦機接口就是這個特點,結(jié)果是實時的。所以基金委說以前的比賽都有一大堆投訴,你們做的比賽沒有人投訴,因為大屏幕就在前面,我們在看,別人也在看,結(jié)果是實時的。
Q:最近兩年,你們的研究組有哪些比較大的成果?
高小榕:中國在腦機接口領(lǐng)域分量,我們大概占到三分之一,包括論文數(shù)和對世界的貢獻(xiàn)都是三分之一,但和美國相比,我國拿到的腦機接口經(jīng)費投入十分之一都不到。
腦機接口總共提出了十幾個范式,現(xiàn)在剩下公認(rèn)的只有三大范式:
SSVEP是一種,想像運動是一種,P300定位是一種,而且在這三種范式最快的腦機接口就是SSVEP。今年我們發(fā)了一個很重要的文章,就是總結(jié)腦機接口發(fā)展路徑,提出I3模型。
BCI的I其實是三個I:第一個I是Interface接口,這個接口是單向的;第二個I是Interaction交互,就是雙向的東西;第三個I是Intelligence智能。
腦機接口最后要按照這三個模型演化,最后能夠達(dá)到腦機智能的水平,就是腦的智能和機器的智能合二為一。這是清華大學(xué)前任腦機接口研究主任高上凱教授提出來的,他是我的老師。
最近還有一個貢獻(xiàn),原來我們做腦機接口控制最早是6個目標(biāo),后來到了12個目標(biāo),然后又到了40個目標(biāo),今年已經(jīng)出現(xiàn)了160個目標(biāo)。我們現(xiàn)在是群體多人腦機接口,也是在這方面做了貢獻(xiàn)。今年有一個青年論文競賽會展示這個結(jié)果。
Q:剛才您提到的技術(shù)目前應(yīng)用情況如何?
高小榕:我們在天壇醫(yī)院控制機械手這類應(yīng)用都有,“挑戰(zhàn)不可能”有一個漸凍癥的中國病人,我們做臨床的時候發(fā)現(xiàn)這個病人可以用腦機接口打字,后來還參加了董卿的“挑戰(zhàn)不可能”節(jié)目,和董卿一塊朗誦了一首詩。這個人已經(jīng)說不出話了,呼吸機插著管呢,但腦子好使。
Q:從全球范圍來看,腦科學(xué)和認(rèn)知學(xué)科都有哪些突破口?
高小榕:腦機接口和認(rèn)知科學(xué)實際上是并行發(fā)展的,腦機接口相當(dāng)于打開了腦的一個窗戶,可以幫助神經(jīng)科學(xué)的發(fā)展,神經(jīng)科學(xué)新的研究結(jié)果又反過來促進(jìn)了腦機接口的應(yīng)用,二者不是一前一后,而是并行發(fā)展,并不是腦神經(jīng)發(fā)展了什么,我們再發(fā)展腦機接口。情緒腦機接口的話,情緒到底怎么回事我們不知道,我們檢測出情緒好壞就可以調(diào)整。
Q:我們談到腦機接口存在一些挑戰(zhàn),對于科研人員和技術(shù)人員來講,如何應(yīng)對現(xiàn)實中的一些問題?
高小榕:我們必須平衡我們的目標(biāo)、實際能力和手段,不能讓它過快,看到好大家就一窩蜂地去研究,把倫理限制都去掉了,萬一出什么事也很麻煩。這個一定是綜合的,涉及到各個學(xué)科協(xié)同發(fā)展,沒有其它學(xué)科的進(jìn)步也是局限的。
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