在电影《阿凡达》中，主人公杰克是一名前海军战士，因为受伤只能以轮椅代步，经过实验用意识进入阿凡达身体后，他就能用意念控制阿凡达，行动自如。

这些出现在科幻片里的意念控制，正在一步步走进现实世界，并且在天津就能见到。

(相关资料图)

5月18日至21日，即将在天津举行的第七届世界智能大会上将展示本市研发的一系列脑机交互科技成果，其中包含天津大学神经工程团队的最新成果之一——基于无创头皮脑电信号的“神工”脑机微信操作系统。

简单来说，就是脑控版微信。使用者不用双手操作，不用张嘴说话，用无创脑机接口即可使用微信所有功能。

视频中，这位来自天津医院的康复患者，因突发事故，7根手指末端遭到严重损伤并被截断，丧失了书写、打字等精细运动的能力，给生活带来了极大的不便。

在使用“神工”脑机微信操作系统时，使用者戴上接触头皮的脑电帽，操作面前的电脑显示屏。电脑键盘上的53个基本指令按键，以虚拟键盘的形式呈现在显示屏上，并用不同的频率闪烁。使用者想要打字时，比如说要拼写“tianjin”，只需要用眼睛依次盯着要拼写的字符，大脑在接收到每一个字符闪烁频率后，就会积极响应，脑电帽即可实时采集到使用者的拼写意图，系统通过解码用户脑电波，得到用户意图后进行识别，目标字符就会输出在微信的聊天框中，并输出文字，从而实现“意念聊天”。

这位患者使用“神工”脑机微信操作系统，分别向一直陪伴照顾自己的家人和天津大学神经工程团队的老师表达了感谢。

据了解，天津大学这项脑机接口技术将眼动定位与脑电解码相结合，构建了首个面向微信全功能的脑机操作系统，满足了用户使用微信的日常需求，采用先进的眼动定位算法和脑电分类算法，实现对用户指令输出意图的精准解码，准确率超过90%。相较于传统脑机接口，用户可以自主控制是否输出指令，从而实现了良好的交互体验。也就是说，包括文字输入、删除文字、选择自定义表情、自由选择聊天对象、点击不同模块等等微信所有交互功能都可以实现。

什么是脑机接口？

什么是脑机接口？这要从我们的大脑谈起。

大脑是人体的控制器，主要由800亿到1000亿个神经元组成，大脑神经元对信息进行接收、处理和转发，神经元之间通过级联方式形成网络，这些网络进一步形成更复杂的交联网络。通常情况下，中枢神经系统的活动通过外周神经系统连接身体的感觉、运动、语言等信息收发器官，实现身体内部与外部环境的信息交互。

而脑机接口则由“脑”+“机”+“接口”组成，简称为BCI（brain-computer interfaces），指的是将人脑与外界具有处理或计算能力的设备（比如电脑或其他装置）实现连接，进行直接通信的方式。

早在1924年，德国精神科医生汉斯·贝格尔就通过检测发现了脑电波，这意味着人的意识可以转化成电子信号被读取。此后，脑机接口技术的研究开始出现。

世界上第一个开发脑机接口的人是来自美国的神经生理学家、耶鲁大学研究员何塞·德尔加多，1965年，《纽约时报》在对德尔加多的报道中这样写道：他向植入大脑的装置发送无线电信号，让一头横冲直撞的公牛停了下来。

近年来，瑞士、美国、日本、欧盟等国家和地区都在积极布局，推出了针对脑机技术的许多重大研发计划及投资项目，Meta、谷歌、亚马逊等商业巨头在脑机接口领域的成果也不断涌现。

如今主流的脑机接口技术，分为侵入式和非侵入式，前者需要进行头部手术，将传感电极植入颅骨内来探测神经元信号，会产生一定的创伤，也伴随着风险。这两年比较火的侵入式脑机接口当属由埃隆·马斯克2016年联合创立的Neuralink公司，致力于开发可植入大脑记录并刺激大脑活动的脑芯片。2020年8月29日，马斯克在活猪身上演示了“脑机接口”技术Neuralink，该装置实现了对猪行为轨迹的精准预测。2021年4月9日，Neuralink展示猴子用意念玩模拟乒乓球游戏《Pong》，这只猴子大脑中植入了脑机接口，通过脑电波控制球拍，大脑中的设备记录了猴子玩游戏时神经元放电的信息，学习预测它将做出的动作。

天津大学神经工程团队多年深耕的，是非侵入式脑机接口技术，无需进行有创手术，只需要在头皮表面布置相应的传感器电极来采集大脑皮层的神经活动。

“侵入式，严重的神经疾病患者还是很适用的，比如说传统的治疗方法已经没有很好的效果，我们采用这种侵入式的方式来看他神经元的活动，它的优点在于距离从物理空间上离神经元更近，所以它采集到的信号质量会更好。”脑机交互与人机共融海河实验室副主任、天津大学医学部副主任倪广健对比了两种方式的特点：“非侵入式，由于有头皮颅骨和头发的物理阻碍，所以它采集起来相对难度就会更大一点，但是它独到的优势是无创和对全脑信号的同步监测，随着技术的进步和信号质量的持续提升，从受众面的广度和宽度来讲，非侵入式脑机接口对消费级和产业化更有优势。”

脑机接口有什么用？

天津大学神经工程团队研究脑机接口的初衷，是希望为脑卒中患者等因神经系统疾病引起的运动障碍的人群提出康复方案，通过机器采集和读取脑电信号，解码输出控制信号，让身体执行，为患者建立新的人工运动神经通路，重新获得运动能力。

2014年，由天津大学神经工程团队研发的首台适用于全肢体中风康复的人工神经机器人系统——“神工-神机”研制成功。随后此产品的二代、三代成果相继研发成功。中风偏瘫患者在“神工-神机”帮助下，可以在反复训练后起立行走、拿笔书写，逐渐康复。

▲环湖医院患者穿戴神工机器人

视频中，今年3月，环湖医院的一名40岁轻度脑卒中康复期患者，正穿戴着由天津大学神经工程团队研发的“神工-神甲”外骨骼机器人进行康复训练。这套设备通过分析患者脑部发出的信号，向下肢电刺激驱动型外骨骼发送指令，带动患者偏瘫侧肢体进行运动康复训练，唤醒神经沉寂区。这名患者在机器人的辅助下进行两周康复训练后，左下肢步态已经有明显好转，头晕现象有所缓解。

“神工”系列人工神经康复机器人系统已通过国家食品药品监督管理局（CFDA）检测，并在多地医院临床测试成功，获批国家医疗器械注册证，受益患者3000余例。

如今，天津大学神经工程团队的脑机交互成果，除了为相关患者带来福音以外，也正呈现出越来越广泛的应用场景。不仅可以改变残疾人、行动不便人士生活，还可以提升人类认知和思考的能力。

2019年1月，天津大学的毕业生收到一份特殊的礼物——一份通过“意念”书写的“福”字。受试者只需佩戴可测量脑电波的脑电极帽，并想象移动手臂，就可以让与电脑系统相连的机器臂随意念而动，在纸张上一笔一画地写出“福”字。

天津大学神经工程团队的成果还走向了太空。2016年，在我国天宫二号与神舟十一号载人飞行任务中，天大团队联合中国航天员中心成功开展了人类历史上首次太空脑机交互实验。

天津大学医工院副院长、神经工程团队教授许敏鹏说：“航天员在太空环境，完成复杂作业任务受到极大的限制，脑机交互可以不依赖外周神经和运动系统，未来，将航天员的思维活动转化为操作指令，同时又能监测航天员的脑力负荷等神经功能状态，实现人机互适应，减轻作业负荷，是最为理想的人机交互方式。”

据了解，实验获取了空间飞行中航天员的脑机交互生理特征变化情况，并初步验证了意念控制在航天任务中的可行性，脑机交互技术的在轨适用性，为未来脑机接口技术在航天领域的应用提供技术支撑。

技术的发展，要靠一代又一代的人才来推动。2018年，教育部批准创办“智能医学工程”本科新专业，这是我国首个智能方向的医学类本科专业，天津大学开风气之先。同一年，天津大学在医工院设立了全国首个“智能医学工程”二级学科博士点，目前智能医学工程第一批学生全部选择继续深造，在天津医院、儿童医院等三甲医院里接受联合培养。

世界智能大会上见！

今年三月，由天津市政府主导，天津大学牵头，联合中电云脑、海河产业基金等10余家优势单位共建而成的天津市第六家海河实验室──脑机交互与人机共融海河实验室正式揭牌，将成为我国脑机交互领域自主创新的重要源头、天津人工智能支柱产业的核心支撑、天津制造业立市的技术底盘。

目前，脑机交互与人机共融海河实验室拥有多个国家级研究基地和10余个省部级创新平台，拥有无创脑机交互关键核心技术，布局了国际最大最全面的脑机交互专利池，实现了脑机交互全技术链条覆盖。脑电识别精度、控制指令数量和信息传输率三项核心指标均达到国际最高水平。

即将于5月18日至21日在津举办的第七届世界智能大会上，将集中展示本市脑机接口技术成果，除了前文所述的“神工”脑机微信操作系统，还有具有完全自主知识产权的世界首款脑机接口采集及编解码芯片，脑语者C系列和D系列，以及国际上首次实现脑机接口、神经肌肉电刺激和机械外骨骼的自主研发和集成应用的“脑机助行系统”，自主研发的“国内首款抑郁症智能诊断机器人”神工-神心系统等等。除此之外，还将有智能科技领域的院士专家与世界500强知名企业家将聚焦脑机交互进行深入探讨。

5月18日，世界智能大会见！

记者 |赵征

编辑 | 陈彤

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