如果說,馬斯克的腦機(jī)接口公司 Neuralink 在豬腦中植入芯片,可以讀取豬活動(dòng)時(shí)的大腦信號(hào)波動(dòng)已讓你震驚不已,那現(xiàn)在是時(shí)候刷新下認(rèn)知了。

來自約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院(JHM)和該校應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(APL)的研究人員已把更強(qiáng)力的腦機(jī)接口技術(shù)用在了人身上。

不僅如此,在最近的演示中,他們使四肢癱瘓的殘疾人能夠用自己的“大腦意念”同時(shí)控制兩支機(jī)械臂,拿起餐刀、餐叉切下一塊蛋糕,然后把蛋糕送到自己的口中。

這套結(jié)合了人工智能、機(jī)器人技術(shù)和腦機(jī)接口的閉環(huán)系統(tǒng),外觀看上去其實(shí)有點(diǎn)讓人發(fā)怵,畢竟腦袋上頂著好幾個(gè)機(jī)器接口還是挺嚇人,但實(shí)驗(yàn)效果卻不錯(cuò),請(qǐng)看下圖:

約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的物理醫(yī)學(xué)與康復(fù)主任、醫(yī)學(xué)博士帕布羅·塞爾尼克(Pablo Celnik)表示:“業(yè)界內(nèi)類似的腦機(jī)接口研究,此前主要集中在一只機(jī)械臂上,只從大腦的一側(cè)采集信號(hào)進(jìn)行控制�！�

因此,能夠同時(shí)控制兩個(gè)機(jī)械臂執(zhí)行日常生活基本活動(dòng),再通過植入大腦的電極從大腦兩側(cè)檢測(cè)信號(hào)輸出,完成切割糕點(diǎn)并將其送到嘴里的操作,是一次前所未有的進(jìn)展,這意味著腦機(jī)接口可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的任務(wù)控制。

“同時(shí)控制兩個(gè)肢體的腦機(jī)接口系統(tǒng)是一個(gè)特別的挑戰(zhàn),因?yàn)樗�并不是簡單�?1+1=2 的過程, 更像是試圖計(jì)算從大腦信號(hào)輸出,到雙臂操作流程的綜合信息。” 研究組成員加布里埃拉·坎塔雷羅(Gabriela Cantarero)說。

10 小時(shí)開顱手術(shù),在腦殼中植入6個(gè)電極

參與該實(shí)驗(yàn)的主角名叫羅伯特·布茲·克米勒維斯基(Robert Buz Chmielewski),曾經(jīng)也是一名愛運(yùn)動(dòng)的翩翩少年,不幸的是,在十幾歲時(shí)因一次沖浪事故致殘。

經(jīng)醫(yī)學(xué)鑒定,這是 C6 脊髓損傷,不同程度的脊髓損傷會(huì)影響人的手、手臂和腿的運(yùn)動(dòng),嚴(yán)重點(diǎn)也會(huì)影響腸、膀胱和其他器官功能,其中 C1 至 T1 均可導(dǎo)致不同程度的四肢癱瘓,對(duì)于克米勒維斯基來說,C6 脊髓損傷讓他從肩膀以下癱瘓,肩膀和手腕僅剩一點(diǎn)微弱功能,此后 30 多年生活難以自理。

大約兩年前,克米勒維斯基接受了霍普金斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)的邀請(qǐng),參與到一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。

這是一項(xiàng)由美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)牽頭,利用約翰斯·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的先進(jìn)假肢進(jìn)行的臨床試驗(yàn),名為革命性假肢“RP計(jì)劃”,他們的目標(biāo)有兩個(gè):第一,允許參與者控制輔助設(shè)備;第二,使其能夠使用來自大腦的神經(jīng)信號(hào)來感知接觸肢體的物理刺激。

這個(gè)計(jì)劃也催生了模塊化假肢(MPL)項(xiàng)目,這些假肢集成了例如力感知、加速度、滑移和壓力的指尖傳感器等。

2019年1月,克米勒維斯基接受了長達(dá) 10 小時(shí)的腦部手術(shù),外科醫(yī)生打開他的頭骨,在他的大腦兩側(cè)植入了 6 個(gè)電極陣列(MEA),一半布置在運(yùn)動(dòng)皮層,一半在感覺皮層,它們的大小分別跟螞蟻的大小差不多,并能通過細(xì)電線將它們連接到一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成腦信號(hào)的采集和計(jì)算。

作為手術(shù)的一部分,研究小組還率先提出了一種方法,該方法可通過手術(shù)過程中大腦活動(dòng)的實(shí)時(shí)映射,來確定放置電極的最佳位置。

這些電極陣列被設(shè)計(jì)用來讀取運(yùn)動(dòng)信號(hào)和刺激感覺信號(hào),可以繞過受損的脊髓神經(jīng)影響,通過電線連接到機(jī)器手臂或其他效應(yīng)器,如光標(biāo)屏幕、虛擬效應(yīng)器等,從而允許大腦的神經(jīng)信號(hào)向其他設(shè)備發(fā)送信息,反之亦然,也能記錄、發(fā)送電脈沖并“刺激”負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制和觸覺的大腦區(qū)域。

這些電極可以在大腦中植入多達(dá)五年,而對(duì)腦部或皮膚形成疤痕的風(fēng)險(xiǎn)最小。但是,像任何手術(shù)一樣,存在感染或出血的風(fēng)險(xiǎn)。

吃蛋糕之前,訓(xùn)練了9個(gè)月

剛接好的腦機(jī)接口系統(tǒng),并不能很快就可以進(jìn)行雙機(jī)械臂操作,做完手術(shù)后的克米勒維斯基在隨后的幾個(gè)月內(nèi),開始通過 APL 開發(fā)的腦機(jī)界面,學(xué)習(xí)同時(shí)控制兩個(gè)假肢的方法。

另一方面,研究人員對(duì)他的進(jìn)步印象深刻,并希望進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)工作,所以利用 APL 的內(nèi)部研究資助,發(fā)起了一條平行的課題稱為“智能假肢”,以配合腦機(jī)接口開發(fā)策略,利用神經(jīng)刺激,同時(shí)提供先進(jìn)的雙機(jī)械臂控制和感覺反饋。

在過去的 9 個(gè)月里,研究人員測(cè)試了克米勒維斯基在使用和不使用計(jì)算機(jī)模型的情況下,在同一時(shí)間、同一方向,以及相反方向進(jìn)行一系列越來越復(fù)雜的伸展運(yùn)動(dòng)的能力,他們使用虛擬現(xiàn)實(shí)中的假肢以及一個(gè)真正的電動(dòng)假肢來跟蹤患者到達(dá)計(jì)算機(jī)化目標(biāo)的準(zhǔn)確性。

科學(xué)家們還進(jìn)行了刺激大腦的測(cè)試,并確定了病人在哪里可以“感受”到假肢上的傳感器所觸發(fā)的感覺,實(shí)驗(yàn)報(bào)告稱,病人能夠以 100% 的準(zhǔn)確率區(qū)分所有連接了傳感器的手指的感覺。

通過這些測(cè)試和成功的手術(shù),研究小組在腦機(jī)接口領(lǐng)域取得了多個(gè)“第一”。

“我們團(tuán)隊(duì)第一次展示了一個(gè)四肢癱瘓病人同時(shí)‘感覺’大腦刺激傳遞到大腦兩側(cè)的能力�！痹擁�(xiàng)目的技術(shù)負(fù)責(zé)人之一、APL 的馬修·菲弗(Matthew Fifer)博士解釋說,“同時(shí),我們展示了如何通過對(duì) MPL 手指的物理觸摸,成功控制對(duì)大腦中左右手指區(qū)域的刺激�！�

最終,世界上第一個(gè)雙邊腦機(jī)接口植入實(shí)驗(yàn),幫助克米勒維斯基實(shí)現(xiàn)了需要雙機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng),并能感知與環(huán)境的交互,就像它們是他真實(shí)的手臂一樣。

one more thing

通過腦機(jī)接口控制雙機(jī)械臂固然取得了不錯(cuò)的成果,但是霍普金斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)其實(shí)還有一項(xiàng)令人稱奇的假肢風(fēng)格,叫做“靶向肌肉再神經(jīng)化”治療,該實(shí)驗(yàn)曾在一名因電力事故失去雙臂的患者身上進(jìn)行。

顧名思義,就是直接從肢體神經(jīng)的角度切入,給患者帶上裝備后,研究小組使用模式識(shí)別軟件分離出各個(gè)收縮肌的信號(hào),研究它們之間的交流,以及神經(jīng)脈沖的頻率和幅度,這些信息隨后被轉(zhuǎn)化為假肢的特定運(yùn)動(dòng),例如反轉(zhuǎn)手腕,伸胳膊抓取杯子或其他組合動(dòng)作。

與腦機(jī)接口相比,這種方式不需要往腦袋中植入電極傳感器,也無需動(dòng)手術(shù),風(fēng)險(xiǎn)可大幅降低,不過缺點(diǎn)是,肌肉神經(jīng)可能沒有腦神經(jīng)那么敏銳。

在不少科幻電影中,“人機(jī)合一”是一種向往,人類憧憬隨著未來科技進(jìn)步,可以實(shí)現(xiàn)一定程度的永生,只要大腦不死或者意識(shí)存在,就能重新塑造出由智能機(jī)械和新材料組成的全新軀體,并實(shí)現(xiàn)超越普通人體的增強(qiáng)機(jī)能。

盡管科幻距離現(xiàn)實(shí)依舊遙遠(yuǎn),但科學(xué)家們卻正在一步步向目標(biāo)靠近。