脑机接口技术：“意念控制”走进现实
此前，一段名为《脑机接口正在改变他们的人生》的视频在网络上引发“围观”。视频中，脑机接口技术让大脑直接控制机械手臂的场景令人印象深刻。那只舞动着的科技感与未来感十足的智能仿生手，仿佛在告诉我们：脑机接口，一个充满科幻色彩的概念，已渐渐从实验室走进现实。
过去几年，脑机接口技术迅速发展并备受关注，《自然》网站发布的“2024年值得关注的七大技术领域”中，脑机接口技术位列第四。脑机接口作为生命科学和信息技术深度交叉融合的前沿新兴技术，是培育未来产业发展的重要方向，甚至可能实现生命进化的新形式，达到生命进化的新高度。
脑机接口技术概念图
脑“联”万物——生命与器件的有机融合
在介绍脑机接口的原理之前，我们先了解一下大脑是怎样控制身体行动的。
大脑就像是人体的指挥部，对身体的感觉运动和反射活动有很好的控制作用。其通过脑干发出神经纤维，再由脑干的颅神经来控制头部和面部肌肉的活动。另一部分大脑发出的神经纤维，则通过脊髓传递到四肢和躯干的肌肉，脊髓就像一条高速公路，接收来自大脑的信息；与此同时，身体和内脏的感觉信息也通过脊髓传递至大脑，大脑根据反馈的信息，对肢体进行及时、准确的调节。
脑机接口，则是在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。其作用机制是绕过外周神经和肌肉，直接在大脑与外部设备之间建立全新的通信与控制通道，通过捕捉大脑信号并将其转换为电信号，实现信息的传输和控制。
20世纪50年代，研究人员开始使用脑电图记录人脑的电活动。1960年，研究人员发现人脑的某些活动可以通过EEG信号直接控制，如控制电灯的开关。这是脑机接口技术的雏形。但是，由于当时的技术限制，脑电信号的采集和处理都非常困难，导致研究进展缓慢。随着人工智能技术的不断发展，脑机接口技术也开始与人工智能技术相结合，开创了脑机接口的新纪元。
根据是否需要侵入到人体内部，脑机接口可以分为侵入式和非侵入式两种类型。
侵入式脑机接口需要将电极或传感器等硬件设备植入到大脑内部，以直接捕获神经信号。这种类型的接口常被用于动物实验和部分人类实验，以研究大脑的工作机制和实现更高级别的脑机交互。侵入式脑机接口的主要优点是信号质量较高，可以实现对神经信号的直接监测和调控。然而，由于涉及手术风险和可能的健康隐患，侵入式脑机接口的应用范围相对有限。
非侵入式脑机接口则不需要通过手术将硬件设备植入人体，而是通过无创的信号采集技术，如脑电信号、近红外光谱等，来间接地监测大脑活动。这种类型的接口具有无创、安全、便携等优点，因此在临床医学、康复工程、虚拟现实等领域得到广泛的应用。非侵入式脑机接口在实现脑机交互方面具有一定的局限性，例如信号质量相对较低、对环境干扰较为敏感等。然而，由于其低风险、易操作等优势，顺理成章地成为当前的研究热点。
脑机接口技术作为近年来神经工程领域中最活跃的研究方向之一，在智能机器人、生物医学和神经康复等领域具有重要的研究意义和巨大的应用潜力。
脑“控”万物——发轫于医疗应用，在更多领域推广
目前，医疗健康是脑机接口技术最直接、最主要的应用领域。可以说，最早的脑机接口技术是伴随着生物医学问题的困扰而诞生的。
早在21世纪初，美国就对瘫痪的病人开展临床试验，通过“意念”进行电脑光标控制和机械臂控制等方式“弥补”病患的机理缺陷，以恢复其吃饭、交流、行动等人类基本技能；2012年巴西世界杯上，一位身穿机械外骨骼“战甲”的截肢残疾者凭借脑机接口进行控制，在赛场上完成了一次开球；2020年，脑机接口技术帮助一位瘫痪患者成功恢复了手部触觉……作为神经科技领域的前沿技术，脑机接口技术多次凭借其开创性的研究成果，成为全球关注的焦点。
据了解，美国科技公司Neuralink正在设计一种将大脑信号转化为行动的设备，将首先专注于两个应用：一是恢复人的视力；二是帮助无法控制肌肉的人使用智能手机等设备，甚至恢复脊髓受损者的全身功能。
脑机接口技术除了应用于临床医疗，目前也在工业安全监测领域逐渐“落地”。在北京师范大学教授邬霞看来，非侵入式脑机接口技术非常适用于工业安全监测，未来有望提升工业生产效率。
工业安全有设备安全、人员安全、生产安全三大需求。以往，在保证人员安全方面主要靠岗前考核和安全意识教育，检测设备也只是手环等简单生理状态检测设备；在保证生产安全方面，主要是通过定期培训、轮岗休息，或者是通过传感器等简单设备进行环境监测。
然而有了脑机接口，一切将发生巨大改变。据介绍，基于脑机接口技术的工业人员安全数字化管理系统已经应用于隧道施工、矿山开采、基坑作业、电力巡线等场景，包括提供风险报告、发出风险预警和报警信息以及抓取风险隐患数据等。
例如在隧道施工场景下，大型机械和重型物料在运输、吊装、转场过程中稍有不慎就可能引发安全事故。因此，让施工人员佩戴具有脑机接口装置的安全帽，实时监控其脑状态以及脉搏、血氧等生理特征，就可通过分析脑电数据等来判断疲劳度、专注度等。据悉，此方案已经应用在一些城市地铁施工隧道现场。
脑机接口技术的潜力巨大，近年来，通过脑机接口，用意念控制光标移动与持握、让失语者准确“发声”等新闻不断涌现……“脑机接口技术是一种新兴的颠覆性技术，其终极目标是让硅基器件和碳基生命有机融合，实现生命进化的新形式和新高度，这会掀起新一轮的技术浪潮。”中国科学院院士、神经科学家张旭表示，脑机接口与多种外部设备的结合能带来多种应用方案，未来可在更多领域推广应用。
脑“赋”万物——发展潜力可观，赋能智慧战场
脑机接口技术作为新兴的颠覆性技术领域，还给未来战场赋予了更多的可能性。2020年8月27日，美国兰德公司发布了一份名为《脑机接口：美国军事应用和意义的初步评估》的研究报告，在报告中主要分析了脑机接口技术在未来作战中可能应用的领域，以及未来可能面临的潜在风险及挑战。伴随着脑机接口技术的迭代升级，其在军事领域的应用及其未来发展，愈发凸显出战略性意义和多维度趋势。
——作战指挥与控制。在高动态、高强度的现代战场环境中，通过脑机接口技术，指挥官能够以更快速度和更高精度进行战术决策，士兵可以直接通过思维操控武器系统、无人机或其他战斗装备，极大提高反应速度和操作精确度。除此之外，战士能够通过非语音、非肢体动作的方式传递战术指令，减少暴露风险并提升战场隐蔽性，这样的新兴作战指挥与控制模式将彻底颠覆传统的作战指挥流程。
——士兵能力增强。脑机接口技术的信号采集帽可以监测作战人员的生理和心理状态，利用监测到的数据及时分析战士情绪、注意力、记忆力等生理心理指标，从而增强相关作战人员军事技能的表现，保持最佳战斗状态。借助脑机接口技术，士兵可能获得强大的感知能力，实现“第六感”式的态势感知。
——人机融合。未来的战争形态可能出现更加深度的人机结合，如战士穿戴外骨骼、驾驶智能战车时，通过脑机接口技术实现人与机器的无缝协同。当他们戴上配备脑机接口功能的AR/VR头盔时，其大脑活动会被实时捕捉并解析为特定指令。例如，战士只需想象移动手部来操控虚拟物体，系统就能识别这一思维过程，并在虚拟环境中执行相应的动作。
脑机接口技术在军事应用上具有巨大的潜力，与此同时，我们也要看到，脑机接口技术在道德约束、法律法规建设等方面还面临着许多重大挑战，未来亟须建立相应的规范和监管体系。
脑机接口技术满足了人类对意念操控的想象。尽管现在还面临着不少科研瓶颈和现实挑战，不过随着一项项产品面世，我们完全可以相信，脑机接口技术在未来发展中会发挥更大作用，人的意念和现实世界必将实现更紧密地结合、更顺畅地交互沟通。
作者|邹一萌杨润鑫
图片|程硕
编辑|颜瑾