腦機接口消費級創新應用

許書旭 陳建成 林松華

腦機接口介紹

腦機接口（Brain Computer Interface，BCI）技術通過采集和解析大腦生物電信號，使大腦與外部世界建立聯系，實現大腦與外部世界的交互。簡單來說，腦機接口就是一種能夠將大腦和電子設備連接起來的通信系統，從而讓我們能夠用意念來控制計算機、機器人、假肢等外部設備，或者讓外部設備向我們的大腦傳輸信息，如圖像、聲音、觸覺等。

目前腦機接口根據腦電信號采集電極的部署位置可以分為4 種，包括侵入式、非侵入式、半侵入式和介入式。侵入式腦機接口，將電極植入大腦皮層或大腦深部位置，因為沒有顱骨和頭皮的阻隔，可以得到更精確、更復雜、質量更高的腦電信號。但是，它需要打開顱腔，手術風險高、成本高、可能引起免疫反應或感染等并發癥，目前主要用于醫療領域。半侵入式腦機接口，將電極植入在大腦皮層與頭皮之間，相較侵入式腦機接口，免疫反應和炎癥反應發生率均較低，安全系數較高。介入式腦機接口，將腦電傳感器植入腦部血管壁，無需開顱，卻能得到較高質量的腦電信號，中國團隊于2023年5月4日在北京成功實現全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗。非侵入式腦機接口，將電極置于頭皮外部，對人體創傷最小，采集方法最為簡單，可以制作成可穿戴設備，但腦電信號空間分辨率較差，不能有效利用高頻信號。

腦機接口技術的發展

國家知識產權局專利局專利審查協作四川中心吳瓊樂以Incopat 專利數據庫為來源分析了2000年以來腦機接口專利數據（其中2021/2022年因專利申請18 個月滯后期，數據未完全統計），得出結論：2006年前，腦機接口技術處于萌芽狀態，每年的專利申請量不到40 件；2007-2012年，腦機接口技術申請量逐年增加，從41 件增加到168 件，處于緩慢增長期；2013年至今，腦機接口技術申請總量明顯增多，從217 件增加到500件以上，處于快速增長期[1]。

圖1 腦機接口專利申請趨勢

根據百度搜索指數顯示，2023年以來，平均每個月都有一次關于“抑郁癥”的聚焦，其中7月份關于“抑郁癥”搜索指數量同比環比暴漲超2000%，并且在之后一直維持在較高的關注度。與此同時，7月3-5日在天津舉辦的“首屆腦-機接口大會”評選發布了腦-機接口的“五個十”，即：十大科學問題、十大關鍵技術、十大典型產品、十大典型應用場景和十大關鍵詞，其中第九個科學問題：“如何基于腦機接口實現情感障礙疾病的有效診療?”指出，腦機接口技術通過對患者的大腦活動和情緒狀態進行監測和分析，有望發現抑郁癥等情感障礙疾病的生物標記物，從而提供更加客觀和精準的診斷指標。進一步，基于生物標記物和神經反饋構建個性化方案，為抑郁癥等情感障礙疾病提供有效治療。

圖2 2023年1-8月關于“抑郁癥”的搜索指數

圖3 2023年上半年“腦機接口”資訊指數

類似的事件暴發頻率越來越高，根據“腦機接口”的資訊指數可以看出，2023年上半年出現十幾次的關注聚焦。諸如“抑郁癥”這類精神疾病，目前普遍存在無法客觀定性、難以有效治療等問題，而“腦機接口”技術正在逐步攻克這些問題。不僅如此，“腦機接口”技術領域，已經出現一些在臨床展開應用的實例，更有部分產品可以實現消費級應用。它已經不是存在于《阿凡達》電影中的科學幻想，而是已經走出實驗室，走進醫療場景，開始服務于生活家居。

消費級腦機接口產品

在“首屆腦-機接口大會”發布的十大典型產品中（見表1），7 個屬非侵入式產品，可見，雖然侵入式腦機接口更容易獲取高質量腦電信號，但在實際應用中，非侵入式產品仍然占據主流地位，而且非侵入式產品在性能上也已經能適配腦機接口典型的應用場景。

表1 腦機接口十大典型應用場景與十大典型產品

根據Data Bridge Market Research 數據顯示，2022年腦機接口市場規模為17.40 億美元，預計到2030年將達到56.92 億美元[2]?！赌X機接口技術在醫療健康領域應用白皮書（2023）》指出，如果從腦機接口可影響到的應用領域來看，不論是醫療、教育還是消費，都將帶來遠超于十幾億美元的巨額市場空間[3]。

1.個性化學習教育和親子溝通

在學習教育及溝通活動中，評估精神集中、注意力和認知水平，有助于及時得到目標身體、生理和心理的客觀反饋。2020年2月，麻省理工學院著名神經科學家Desimone 教授在《神經元》（Neuron）發表人類腦磁圖MEG 研究，證明了神經反饋訓練與注意力提升的因果關系，并且發現神經反饋訓練可以是一種受訓者不需要理解規則的無意識學習。目前市場上腦機接口產品通過設計不同的反饋機制與用戶進行互動，可以對用戶進行注意力、反應能力、自控能力等綜合訓練。

2.心理健康檢測

清華大學張丹等在其發明專利《一種基于腦機接口技術的人格特質測量方法及設備》中，通過獲取被測者在觀看誘發素材時產生的腦電數據，對被測者人格特質進行客觀的測量，該測試可以擺脫職業測試、人格測試等人格評估方法過分主觀的現狀。除此之外，基于大腦情緒變化的腦電反應機制，腦機接口可以客觀有效地檢測出人主觀情緒的變化，與此同時還能進行諸如癲癇、多動癥等精神疾病的病例監測[4]。

3.游戲控制與玩家狀態感知

腦機接口在游戲娛樂領域已有多年實踐經驗，通常用于為游戲提供輸入，從而擺脫對中間設備（鼠標、鍵盤、游戲手柄和游戲控制器）的依賴。游戲本身的娛樂屬性、激勵機制、挑戰模式，可以提高交互過程中的樂趣和用戶的積極性，極大地改善傳統腦機接口訓練過程枯燥乏味的缺點。

2022年，被戲稱為“老頭環”的動作類角色扮演游戲（RPG）在全球賣出超過2000 萬份，斬獲無數游戲大獎，成為全世界游戲迷心中的神作。游戲女主播Perri Karyal 首次成功展示了她可以完全通過腦電波外設，在Xbox 上游玩《艾爾登法環》，無需任何控制器的輔助。類似地，還有腦控玩魔獸世界、腦控大航海、腦控無人機及腦控賽車等。在游戲市場，腦控設備的可行性已經被反復驗證。

4.安全監測

在一些特殊場景，如煤礦、老人獨居等，當危險發生時，當事人本身并不具備發出警報的能力，但其情緒變化和大腦活動，卻能反映出其所處境況異常。傳統的手段，需要人為觸發報警，而腦機接口技術，通過對當事人腦電的監測，即可發現危險信號。清華大學方東平等人在《施工工人的疲勞程度計算方法及系統》中，通過腦機接口智能安全帽獲取施工工人的預設位點的腦電信號，輸出施工工人的疲勞程度客觀評估數據[5]。

5.駕駛中駕駛人員監測和車內控制

我國汽車行業增長迅猛，2022年新領證駕駛人近3000 萬人，汽車已經成為百姓日常出行必不可少的交通工具之一。傳統智能駕駛輔助系統基于視覺或車載傳感器對駕駛員面部定位，獲取其眼動、嘴動信息以及頭部位置等特征，可對其疲勞狀態進行判定，減少交通事故發生。將腦機接口應用于智能輔助駕駛領域，能有效監測駕駛員駕駛意圖和狀態，降低事故發生率，此外，殘疾人也能通過人機互動實現道路駕駛。

6.元宇宙人機交互

2021年作為“元宇宙元年”，是元宇宙開始火爆的一年。廈門盈趣科技股份有限公司總裁助理兼技術戰略總工陳建成在《元宇宙：數字化時代新商業與新生態》中指出，腦機接口將助力打破虛擬與現實之間的壁壘，成為元宇宙的下一個入口[6]。天津大學醫工院副院長許敏鵬認為：“如果能實現高效的腦控鍵盤和腦控鼠標，那么消費級的腦機接口產品也就離我們不遠了[7]”，2021年，天津大學與華為合作，研制出了無感視覺刺激、極微弱腦電特征的腦控鍵盤。2022年，天津大學實現了非侵入式的腦控鼠標，被訓練者經過15 分鐘的訓練，可以實現簡單的腦控追逐目標的二維控制[8]。

結束語

1975年，柯達制造出全球首部數碼相機，也早已意識到數碼相機將替代膠片相機，然而，卻因為當時膠片相機市場更大而錯失機會，短短20年間被反超乃至消亡。2007年的諾基亞也步其后塵，其衰亡時間更短。一項革命性技術從出現到完成對上一代技術的替代，往往是迅猛而突然的。如今，腦機接口技術已經顯現出對傳統人機交互方式無與倫比的優勢，國家、社會的注意力也已經開始聚焦，那么腦機接口的“iPhone 時刻”就不會遠了。腦機接口技術的突破，將伴隨其上下游產業鏈快速革新，牽引新的產業結構遷移與落地。