“AI+”人腦　挑戰更多“不可能”

　　實驗人員正在用“意念”控制無人機編隊飛行。

　　腦機接口設備越來越便捷，有利於腦控技術快速走向應用。

　　實驗人員隻需要戴上腦電帽就可以實現大腦信息的准確提取、指令的精確發出。

　　試想一下：你隻需動動念頭，機械設備就會按照你的想法運轉﹔人與人之間的交流，不僅僅通過語音或文字，還可以通過心靈……

　　當AI與人腦聯合，更多“不可能”會走向我們身邊。多年來，西北工業大學謝鬆雲教授團隊致力於腦科學與人工智能的交叉研究，“腦機協同”技術取得重要進展，率先實現了意念與AI相結合的“雙智能”控制。

　　“意念控物”的實現

　　“意念控物”是通過腦電檢測設備採集腦電波，然后用計算機對腦電進行解讀，提取腦電特征形成控制信號，進而實現對事物的控制。這些事物可以是設備裝置，甚至可以是生物體。至於腦電波，其實很早就被人類所認識和獲取，人腦神經元活動時就會產生電信號，這些信號相疊加，形成腦電波。

　　“要想實現高質量的控制，最關鍵也是難度最大的是對腦電波的提取、識別與區分，也就是所謂‘腦特征’的提取。”謝鬆雲介紹，“通俗一點講，就是需要知道大腦想要做什麼，獲取的腦電波要能代表這種訴求，不同訴求能在腦電波中體現出來。”

　　在利用腦電進行控制時，能提取出多少個不同的腦電特征，就能夠通過編碼生成多少個相應的控制量，控制量的多少在很大程度上決定了控制的水平。最簡單的是利用一個腦特征，一般隻能產生一個控制量，可用於控制“啟動”或者“停止”、“增加”或者“減少”等任務。目前，應用最多的是基於注意力、專注度的腦控，腦控讓設備動起來就是典型的案例。

　　顯然隻有1個腦特征的提取與識別遠遠不能滿足人們對腦控技術的渴望期待。在現實中對物體的控制遠不止2個狀態，比如腦控汽車，僅走、停、加速、減速、轉彎等基本動作至少需要4個到5個特征。基於這種需求，謝鬆雲團隊潛心研究，以期能利用更多的大腦特征。經過多年不懈的努力，該團隊開發了多種模式聯合誘發的大腦特征的提取技術，目前已經可以實現想象、視覺、眨眼等3種模式，12個腦特征的提取與識別。

　　“幾個腦特征的增加，並非是簡單的數量增減，而是在誘發方式和特征提取技術上都要有突破，其難度是多方面的！”謝鬆雲介紹，人腦信號非常復雜並含有很多噪聲，要實現腦特征的提取與識別難度很大。從技術上說，需要從四個模塊進行研究：第一，如何誘發可識別的腦電特征信號﹔第二，對激發出的腦電信號進行解碼﹔第三，對識別的腦電特征進行編碼，轉為對外部設備的控制指令﹔第四，通過通信技術將控制指令傳輸給被控設備。

　　據了解，可以誘發腦特征的方法包括運動想象、視覺刺激、事件相關電位等，還可結合肌電刺激形成多種模式的腦特征的應用。截至目前，團隊相關技術已取得10件國家發明專利授權，推動了腦機接口技術的實用化進程。

　　腦控技術走向應用

　　盡管實現了多種腦特征的提取，但是腦控技術走向應用還有很多障礙。“比如腦機接口具有速度慢、正確率不高等固有局限性，這些都成為腦控技術發展的重要障礙。”謝鬆雲介紹，為解決這些問題，團隊率先實現了將意念控制與AI相結合實現“雙智能”控制的新技術，並研發出多套腦機協同控制系統，推動了腦控技術的實用化進程。

　　腦機協同控制就是通過腦機接口等技術將大腦的智能和基於計算機技術的人工智能結合起來，將大腦作為計算機控制系統的一個組成部分，構成一個既有大腦的快速認知和靈活決策，又有計算機的高速計算和大容量存儲的新型系統，用於對各種設備與系統的控制。這樣，可以充分發揮“人腦智能快速認知與決策”和“人工智能高速計算與處理”的各自優勢，通過腦機協同共同完成控制任務，克服了單一智能控制的局限，在減輕了大腦負擔的同時，實現了無人系統快速、穩定和高效的控制。“這種模式充分發揮了‘人腦’和‘機腦’兩種不同智能形式各自的優勢，有利於腦控技術走向實際應用。”謝鬆雲說。

　　團隊的最新研究成果——“腦控”無人機編隊飛行正是基於腦機協同的“雙智能”控制技術的實際應用。這項新技術將AI和腦控相結合，使得無人機編隊既能根據腦控指令迅速完成不同模式的轉換，變換隊形，又不需要負責腦控的操作人員長期耗費腦力。AI技術預設了不同的飛行模式，操作人員根據實際環境和任務需求，用腦控設備發出模式轉換的指令，就能輕鬆完成無人機群的10余種不同模式的編隊飛行任務。

　　這是腦控技術實際應用的重大突破。“腦機協同控制讓‘意念控物’這個聽起來高高在上的‘黑科技’的落地應用成為可能。”謝鬆雲介紹。

　　腦機協同控制在醫學、航天、救災、安防、游戲、教育等領域具有廣泛的應用前景。例如，救援救災中，在未知的復雜環境或危險區域可採用無人探測設備進行探測，但是在復雜環境中不明情況下，單純使用AI系統設備往往會無法准確識別目標，並造成不必要的時間、能量和裝備的損失，使得任務完成質量下降。利用手—腦—機協同的技術，在環境不明情況下用“手控+腦控”驅動無人探測設備的快速運行和目標發現，待發現疑似目標后再啟動AI系統精准實施探測、識別，人機聯合認知、處理與決策保証了精准探測和施救。

　　隨著5G技術的發展，5G技術結合腦控和AI技術將為無人駕駛提供更可靠的安全保障。如果在無人駕駛系統中，加入對人的狀態監測，將人的本能反應與AI系統相結合，利用人的快速認知能力，在AI系統無法識別應對的情況下，利用監測到的人的本能反應快速給出正確的應急指令，可以最大程度保障行車安全，使無人駕駛汽車上路成為可能。

　　執著於“異想天開”

　　科研之路從來都不會一帆風順，特別是創新學科交叉領域的研究更加艱辛。說起近20年的研究，謝鬆雲最大的感悟是：滿懷對科研的熱愛和不被動搖的信念，遇到困難不退縮，沒有解決不了的問題。

　　團隊成立之初，遇到的最大難題是專業領域太超前，不被大多數人理解，認為想要實現腦控簡直是異想天開。但是，謝鬆雲沒有因此而改變方向，在“異想天開”的道路上堅定地走下去。

　　“開放、共享，加強國際合作是我們能走到今天的一個重要原因。”謝鬆雲介紹，一開始，由於專業跨度大、缺少可借鑒的經驗和方法、沒有實驗條件等原因，給研究帶來了巨大的挑戰。“為此，我們與國外知名的大學和一流的醫學院緊密合作，在他們的協助下我們快速建立了新的學科和實驗室，並通過師生互訪，赴德國做實驗，獲得了大量的國際先進技術和數據，保証了研究工作的順利開展。”她說。

　　從2004年西北工業大學創建“985”學科實驗室“神經信息技術實驗室”開始，團隊把這條本不被看好的路越走越寬：2014年，聯合德國柏林工業大學、夏洛特醫學院共同創建了“中德神經信息聯合實驗室”﹔2017年，聯合德國柏林工業大學、夏洛特醫學院、肯特大學等國際知名高校共同創建了“陝西省腦機一體化及其無人系統應用國際聯合研究中心”﹔2019年，謝鬆雲作為首席教授，創建了西北工業大學的“腦科學與類腦研究中心”。

　　近年來，團隊完成了包括4項國家自然科學基金等國家級項目在內的科研項目30余項，首創了“多模式聯合誘發的腦機協同無人機編隊智能控制技術”“手—腦—機協作無人車智能控制與目標識別技術”“便攜式抓取機器人腦控技術”等科研成果，並被成功應用。

　　“當時認為不可能的腦機技術，現在已成為國內外科研的重要競爭之地。看到現在的發展趨勢，我們為自己的執著和堅持而自豪！”謝鬆雲表示。