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| 本文作者： 付靜 | 2020-10-14 17:35 |
在被譽(yù)為是賽博朋克史詩(shī)的《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》中，全身“義體化”的公安 9 課隊(duì)長(zhǎng)草薙素子的形象令人難忘，電影中對(duì)于腦機(jī)接口技術(shù)與人類自我意識(shí)核心“Ghost”之間關(guān)系的探討也讓我們無(wú)限回味。
回歸現(xiàn)實(shí)，在「宇宙網(wǎng)紅」Elon Musk 的大力推廣下，我們對(duì)腦機(jī)接口技術(shù)也不再陌生。
對(duì)于非植入式腦機(jī)接口而言，頭戴電極可檢測(cè)大腦信號(hào)，收集分析數(shù)據(jù)，發(fā)出相應(yīng)指令，控制外部設(shè)備。
那么，如此硬核的裝置只能擺在實(shí)驗(yàn)室里嗎？并不！
來(lái)自?shī)W地利約翰內(nèi)斯·開普勒大學(xué)林茨分校的研究人員，聯(lián)合醫(yī)療工程公司 G.tec 研發(fā)人員及時(shí)尚設(shè)計(jì)師 Anouk Wipprecht 就設(shè)計(jì)了一套特別的腦機(jī)接口裝置——與其說(shuō)是裝置，不如說(shuō)是禮服。
這套「禮服」有個(gè)直男但又形象的名字：Pangolin dress（翻譯過(guò)來(lái)是“穿山甲連衣裙”）。
前不久，Pangolin dress 曾在奧地利電子藝術(shù)節(jié)（Ars Electronica Festival）上亮相。在素來(lái)密切關(guān)注藝術(shù)、科技和社會(huì)三者相互聯(lián)系的奧地利電子藝術(shù)節(jié)上，這一設(shè)計(jì)堪稱是藝術(shù)、能量采集與機(jī)器學(xué)習(xí)的一次美妙結(jié)合。
藝術(shù)與科技美妙結(jié)合
那么，既是藝術(shù)展品，又涵蓋尖端科技，Pangolin dress 具體有哪些特別之處呢？
據(jù) IEEE 報(bào)道，Pangolin dress 共包含 1024 個(gè)獨(dú)立的頭戴電極（共 64 組，每組 16 個(gè)），可探測(cè)到大腦的電信號(hào)。收集到信號(hào)之后，所獲取的數(shù)據(jù)將被組合、分析、轉(zhuǎn)換。
比如說(shuō)，當(dāng)佩戴者決定主動(dòng)移動(dòng)一塊肌肉時(shí)，這一動(dòng)作會(huì)在大腦運(yùn)動(dòng)皮層中觸發(fā)一種「局部活動(dòng)模式」，這種模式是能被檢測(cè)和識(shí)別到的。
G.tec 公司聯(lián)合創(chuàng)始人 Christoph Guger 表示：
通過(guò) 1024 個(gè)獨(dú)立電極通道，我們甚至可以獲得單個(gè)手指的分辨率。這是非植入式腦機(jī)接口設(shè)備的電極通常無(wú)法做到的。
原因就在于，一般情況下腦機(jī)接口僅僅有 64 個(gè)電極通道，只能用來(lái)區(qū)分運(yùn)動(dòng)區(qū)域——例如，身體剛剛作出的動(dòng)作是由左臂還是右臂完成。
實(shí)際上，由于每個(gè)佩戴者的大腦存在差異，要想準(zhǔn)確識(shí)別細(xì)節(jié)，還需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。
為此，研究團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)是：通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別與不同動(dòng)作相關(guān)的模式。
簡(jiǎn)單來(lái)講，系統(tǒng)實(shí)際上并不要求佩戴者移動(dòng)任何特定的肌肉，佩戴者只需想象執(zhí)行一個(gè)動(dòng)作。
背后的邏輯是，大腦想象一個(gè)動(dòng)作往往比實(shí)際執(zhí)行更花時(shí)間，產(chǎn)生的信號(hào)也更持久，所以機(jī)器學(xué)習(xí)起來(lái)就更容易。
可以說(shuō)，這種技術(shù)完全適用于癱瘓患者。在此基礎(chǔ)之上，Christoph Guger 甚至有個(gè)想法：未來(lái)可以設(shè)計(jì)一種用腦機(jī)接口控制的外骨骼裝置，造福癱瘓群體。
數(shù)據(jù)一經(jīng)組合、分析、轉(zhuǎn)換，Pangolin dress 就會(huì)出現(xiàn)顏色變換。也就是說(shuō)，穿上 Pangolin dress 后，大腦神經(jīng)活動(dòng)將在身體上以可視化的方式呈現(xiàn)。
令人眼前一亮的是，Pangolin dress 還可以通過(guò)不同顏色反映佩戴者所處的精神狀態(tài)，比如緊張（白色）、平靜（藍(lán)色）、沉思（紫色）等等?？梢姡@已經(jīng)不僅僅是意念控制設(shè)備了，更像是設(shè)備反映意念。
而這種設(shè)計(jì)的背后正是包含了 32 個(gè) Neopixel LED 的陣列和 32 個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)秤（servo-driven scales）。
單通道定制芯片
值得關(guān)注的是，研究人員設(shè)計(jì)了連接到每個(gè)電極的定制芯片——按 IEEE 的話說(shuō)，這是最主要的技術(shù)進(jìn)步。
具體而言，這種定制芯片為單通道芯片，側(cè)面尺寸 1.6 毫米，集成了一個(gè)放大器、一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器，功耗小于 5 毫瓦。
由于功耗小，這種芯片可通過(guò)附近的基站，以非接觸式射頻識(shí)別芯片的方式驅(qū)動(dòng)，并以無(wú)線方式返回?cái)?shù)據(jù)。據(jù)介紹：
通過(guò)無(wú)線方式給供電芯片并與之通信，穿戴者不再被拴在以往的有線測(cè)試系統(tǒng)上，這種設(shè)計(jì)還可減少傳統(tǒng)無(wú)線系統(tǒng)中電池的體積和重量。
即便設(shè)計(jì)了定制芯片，團(tuán)隊(duì)也沒有一味追求奇異的制造技術(shù)。Pangolin dress 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、奧地利約翰內(nèi)斯·開普勒大學(xué)林茨分校團(tuán)隊(duì)的 Thomas Faseth 解釋道：
我們的原則是控制技術(shù)成本，團(tuán)隊(duì)所使用的是 180 納米制造技術(shù)，但我們還通過(guò)一些先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)技巧實(shí)現(xiàn)了更高的性能。
值得一提的是，Pangolin dress 中，每組電極和芯片都被安裝在一塊瓷磚上。從下圖可以看出，穿戴者的頭部完全被瓷磚覆蓋，各個(gè)連接了天線。
這件「穿山甲連衣裙」有著模塊化的設(shè)計(jì)，其靈感正是來(lái)源于穿山甲富有光澤的角蛋白鱗片——它結(jié)合了剛性和織物元素，其中剛性元素采用的是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（selective laser sintering），9 個(gè)環(huán)環(huán)相扣的部分通過(guò) 3D 打印完成。
整體上，Pangolin dress 兼具超低能量、高分辨率、高靈敏度的特點(diǎn)。但為了做出最終的設(shè)計(jì)，也并不容易。
據(jù)了解，Pangolin dress 團(tuán)隊(duì)就曾遇到了以下挑戰(zhàn)。
首先，一個(gè)最大的挑戰(zhàn)便是傳感器電子設(shè)備的電力預(yù)算。正如奧地利約翰內(nèi)斯·開普勒大學(xué)林茨分校集成電路研究所的 Harald Pretl 教授所說(shuō)：
我們必須為此設(shè)計(jì)一個(gè)放大器、一個(gè) ADC，以及我們自己的基于超寬帶的傳輸協(xié)議。
其次，處理頭部周圍的褪色和陰影效果也是一大挑戰(zhàn)。
還有一個(gè)挑戰(zhàn)在于，大腦信號(hào)的變化速度要比伺服器改變角度的速度快得多，所以團(tuán)隊(duì)專注于反映變化的頻率。比如他們的一個(gè)設(shè)計(jì)是，當(dāng)?shù)皖l腦電波占主導(dǎo)時(shí)，伺服器和光線會(huì)緩慢變化。
在奧地利電子藝術(shù)節(jié)上，Pangolin dress 受到了廣泛關(guān)注。就未來(lái)而言，研究團(tuán)隊(duì)希望設(shè)計(jì)出另一個(gè)版本，使用完全無(wú)線的傳感器。與此同時(shí)，關(guān)于將傳感器技術(shù)商業(yè)化的討論也仍在進(jìn)行中。
引用來(lái)源：
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