腦控基于腦機接口的人機融合控制

腦控基于腦機接口的人機融合控制一、本文概述隨著科技的飛速發(fā)展，人機交互方式正在經(jīng)歷前所未有的變革。特別是近年來，腦機接口（BMI）技術的出現(xiàn)和不斷成熟，為人類與機器之間建立起更加直接、高效的溝通橋梁提供了可能。本文將重點探討基于腦機接口的人機融合控制，即“腦控”技術，在理論與實踐層面的發(fā)展現(xiàn)狀、面臨的挑戰(zhàn)以及未來的應用前景。文章首先將對腦控技術的基本概念進行界定，明確其在人機交互領域中的重要地位。隨后，將詳細介紹腦控技術的基本原理和實現(xiàn)方式，包括腦電信號的采集、處理與解析，以及如何將這些信號轉化為機器可識別的指令。在此基礎上，文章將深入探討人機融合控制的理論框架和關鍵技術，如腦電信號解碼、意圖識別、控制策略優(yōu)化等。文章還將對腦控技術在不同領域的應用案例進行梳理和分析，如醫(yī)療康復、航空航天、智能家居等。通過這些案例，讀者可以更加直觀地了解腦控技術的實際應用價值和社會影響。文章還將對腦控技術發(fā)展過程中面臨的挑戰(zhàn)和問題進行深入剖析，如信號穩(wěn)定性、用戶適應性、倫理法規(guī)等，以期為未來研究提供有益的參考和啟示。文章將展望腦控技術的未來發(fā)展趨勢和研究方向，包括腦電信號處理技術的創(chuàng)新、多模態(tài)交互方式的發(fā)展、以及跨學科合作模式的探索等。通過本文的闡述，讀者可以對腦控基于腦機接口的人機融合控制有一個全面而深入的了解，為相關領域的研究和實踐提供有益的借鑒和指導。二、腦機接口技術基礎腦機接口（BMI，Brn-MachineInterface）是一種直接連接大腦與外部設備的系統(tǒng)，它能夠將大腦的活動轉化為機器可理解的命令，反之亦然。這種接口的建立依賴于神經(jīng)科學、生物醫(yī)學工程、計算機科學、認知科學等多個領域的交叉融合。BMI的核心目標是通過解碼大腦活動，實現(xiàn)人類意圖向機器命令的轉化，從而實現(xiàn)人機之間的高效溝通和控制。在BMI中，最為關鍵的是大腦信號的獲取與解析。這通常涉及到電生理信號的采集，如腦電圖（EEG）、腦磁圖（MEG）、局部場電位（LFP）以及單神經(jīng)元放電等。這些信號反映了大腦在處理信息時的電活動，是BMI解碼大腦意圖的基礎。解碼大腦信號是BMI技術的核心挑戰(zhàn)之一。研究者們通過模式識別、機器學習等算法，對采集到的大腦信號進行處理和分析，以提取出與特定意圖或動作相關的特征。這些特征進一步被轉化為控制命令，用以驅動外部設備。除了信號解碼，BMI還需要考慮如何有效地將機器的狀態(tài)和反饋信息傳遞回大腦，形成閉環(huán)控制。這通常涉及到感覺替代技術，如通過觸覺、視覺或聽覺反饋，使操作者能夠感知到機器的狀態(tài)和外部環(huán)境。BMI技術的發(fā)展歷程中，經(jīng)歷了從簡單到復雜，從離線到在線的過程。早期的BMI系統(tǒng)大多基于離線數(shù)據(jù)分析，即先采集大腦信號，再進行分析處理。隨著技術的發(fā)展，實時在線的BMI系統(tǒng)逐漸成為主流，它們能夠實時解碼大腦信號并驅動外部設備，實現(xiàn)了更為自然和高效的人機交互。在人機融合控制中，BMI發(fā)揮著至關重要的作用。它不僅能夠擴展人類的感覺和運動能力，還能夠通過優(yōu)化算法和反饋機制，提高操作者的操作精度和效率。BMI技術也面臨著諸多挑戰(zhàn)，如信號穩(wěn)定性、解碼精度、用戶適應性等問題，這些都需要研究者們不斷探索和創(chuàng)新。腦機接口技術作為連接大腦與外部世界的橋梁，為人機融合控制提供了可能。隨著技術的不斷發(fā)展和完善，BMI有望在未來發(fā)揮更加重要的作用，推動人機交互技術的進步和發(fā)展。三、腦控人機融合控制的基本原理腦控人機融合控制，也稱為腦機接口（BMI）或腦控技術，是一種將人類大腦活動與外部環(huán)境或機器設備直接相連的技術。其基本原理在于通過捕捉大腦產(chǎn)生的神經(jīng)信號，解碼并轉化為機器可理解和執(zhí)行的控制指令，從而實現(xiàn)人類意圖對外部設備的直接操控。這種控制方式不僅提高了人機交互的自然性和直觀性，還擴展了人類的感知和行動能力。信號采集：需要通過腦電圖（EEG）、腦磁圖（MEG）或植入式電極等技術手段，從大腦皮層中采集神經(jīng)電信號。這些信號反映了大腦在處理外部信息或產(chǎn)生內部意圖時的神經(jīng)活動模式。信號處理與解碼：采集到的原始神經(jīng)信號通常包含大量的噪聲和干擾，需要通過信號處理算法進行濾波和特征提取，以提取出與特定意圖或動作相關的特征信號。隨后，利用解碼算法將這些特征信號轉換為機器可執(zhí)行的控制指令，如運動軌跡、力度或速度等。機器執(zhí)行與反饋：解碼后的控制指令被發(fā)送至外部設備，如機械臂、假肢、輪椅或虛擬現(xiàn)實設備等，使其按照人類意圖執(zhí)行相應的動作。同時，外部設備的狀態(tài)信息或環(huán)境感知數(shù)據(jù)也可以實時反饋給大腦，以便人類操作者在操作過程中隨時調整策略或修正錯誤。學習與適應：腦控人機融合控制系統(tǒng)還需要具備學習和適應能力，以應對不同操作者、不同任務或不同環(huán)境帶來的挑戰(zhàn)。通過學習算法，系統(tǒng)可以逐漸適應操作者的神經(jīng)活動模式，提高解碼精度和效率；同時，通過適應性控制策略，系統(tǒng)還可以根據(jù)任務和環(huán)境的變化自動調整控制參數(shù)和策略，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。腦控人機融合控制的基本原理是通過捕捉和解析大腦神經(jīng)信號來實現(xiàn)對外部設備的直接操控，并通過學習與適應機制來不斷提高系統(tǒng)的性能和適應性。這種技術為人機交互提供了新的可能性和前景，有望在醫(yī)療康復、輔助設備、虛擬現(xiàn)實等領域發(fā)揮重要作用。四、腦控人機融合控制的關鍵技術腦控基于腦機接口的人機融合控制技術的核心在于一系列關鍵技術的突破。這些技術涵蓋了腦電信號采集與處理、腦電信號解碼與識別、人機接口設計與優(yōu)化以及人機融合控制策略等方面。腦電信號采集與處理是腦控人機融合控制的基礎。通過高精度的腦電采集設備，如腦電圖儀（EEG）和腦磁圖儀（MEG），能夠實時獲取大腦活動產(chǎn)生的微弱電信號。這些信號中蘊含了豐富的神經(jīng)活動信息，是后續(xù)解碼和識別的基礎。為了獲取高質量的腦電信號，需要采用先進的信號處理技術，如濾波、去噪和偽跡消除等，以消除各種干擾和噪聲。腦電信號解碼與識別是實現(xiàn)腦控人機融合控制的關鍵。通過對采集到的腦電信號進行解碼，可以提取出反映大腦意圖和決策的神經(jīng)活動模式。這些模式可以被轉化為計算機可理解的指令，從而實現(xiàn)對外部設備的控制。為了實現(xiàn)準確的信號解碼和識別，需要采用先進的機器學習和模式識別算法，如深度學習、支持向量機和神經(jīng)網(wǎng)絡等。這些算法可以對大量的腦電數(shù)據(jù)進行訓練和學習，以提取出有用的信息和特征。再次，人機接口設計與優(yōu)化是提升腦控人機融合控制性能的重要環(huán)節(jié)。人機接口作為大腦與外部設備之間的橋梁，其設計直接影響著腦控系統(tǒng)的可用性和舒適性。一個好的人機接口應該能夠提供直觀、自然的交互方式，使得用戶能夠輕松地通過大腦意圖來控制外部設備。為了實現(xiàn)這一目標，需要采用人機交互設計原則和優(yōu)化算法，對人機接口進行持續(xù)的改進和優(yōu)化。人機融合控制策略是實現(xiàn)高效、穩(wěn)定控制的核心。在人機融合控制系統(tǒng)中，大腦和外部設備需要協(xié)同工作以完成復雜的任務。為了實現(xiàn)這一目標，需要采用先進的控制理論和算法，如自適應控制、魯棒控制和最優(yōu)控制等。這些算法可以根據(jù)任務需求和系統(tǒng)狀態(tài)調整控制策略，以實現(xiàn)最優(yōu)的控制效果。腦控基于腦機接口的人機融合控制技術涉及到多個關鍵技術的融合與創(chuàng)新。隨著這些技術的不斷發(fā)展和完善，腦控人機融合控制將在未來發(fā)揮出更大的潛力，為人類提供更高效、便捷的人機交互方式。五、腦控人機融合控制的實驗和應用腦控基于腦機接口的人機融合控制作為一種前沿技術，已經(jīng)在多個領域進行了實驗和應用，展現(xiàn)出巨大的潛力和價值。以下是對其實驗和應用的詳細探討。在實驗方面，腦控人機融合控制主要依賴于高精度的腦電信號采集設備和非侵入式腦機接口技術。通過設計合理的實驗范式，研究人員可以探究不同腦區(qū)在特定任務中的激活模式，進而解碼出對應的運動意圖或操作指令。例如，在一項涉及運動控制的實驗中，參與者通過想象特定的肢體動作來控制外部設備，如機器人手臂或虛擬角色。通過分析腦電信號中的模式，研究人員成功實現(xiàn)了對參與者意圖的解碼，并實現(xiàn)了對外部設備的精確控制。在應用方面，腦控人機融合控制已經(jīng)在醫(yī)療康復、游戲娛樂和軍事航空等領域展現(xiàn)出廣泛的應用前景。在醫(yī)療康復領域，腦控技術可以幫助偏癱患者恢復運動功能，提高他們的生活質量。通過腦機接口，患者可以直接用大腦控制假肢或外骨骼設備，進行日常生活動作的訓練和執(zhí)行。在游戲娛樂領域，腦控技術為玩家提供了全新的交互方式，如通過想象特定的動作來控制游戲角色的移動和攻擊。這種全新的交互方式不僅增強了游戲的沉浸感和趣味性，還為殘障人士提供了更便捷的游戲體驗。在軍事航空領域，腦控技術有望為飛行員提供更直觀、更快速的控制方式，提高作戰(zhàn)效能和安全性。然而，盡管腦控人機融合控制在實驗和應用中取得了顯著的成果，但仍面臨著許多挑戰(zhàn)和限制。例如，腦電信號的采集和分析技術仍有待提高，以提高解碼的準確性和穩(wěn)定性。腦控技術的普及和推廣還需要克服倫理、法律和社會接受度等方面的障礙。腦控基于腦機接口的人機融合控制作為一種前沿技術，在實驗和應用中展現(xiàn)出了巨大的潛力和價值。隨著技術的不斷發(fā)展和完善，我們有理由相信，腦控技術將在未來為人類社會帶來更多創(chuàng)新和變革。六、總結和展望隨著科技的不斷發(fā)展，腦機接口（BMI）技術已經(jīng)成為一種具有廣闊應用前景的新型人機交互方式。本文詳細探討了基于腦機接口的人機融合控制技術，從理論到實踐，對其進行了全面的分析。在理論層面，我們深入研究了腦電信號的處理方法，包括信號的采集、預處理、特征提取以及分類識別等關鍵步驟。通過不斷優(yōu)化算法，我們成功提高了腦電信號的處理效率和準確性，為后續(xù)的人機融合控制提供了堅實的基礎。在實踐應用方面，我們設計并實現(xiàn)了多種基于腦機接口的人機融合控制系統(tǒng)，如智能輪椅、假肢控制等。這些系統(tǒng)的成功應用不僅驗證了我們的理論研究成果，也展示了腦機接口技術在改善人類生活質量方面的巨大潛力。然而，盡管我們在腦機接口技術方面取得了一定的成果，但仍然存在許多挑戰(zhàn)和問題需要解決。腦電信號的復雜性和不穩(wěn)定性使得信號處理的難度增加，我們需要進一步研究和優(yōu)化信號處理方法，提高信號的質量和穩(wěn)定性。腦機接口技術的安全性和可靠性也是我們需要關注的重要問題，只有在保證用戶安全的前提下，才能推動該技術的廣泛應用。如何將腦機接口技術與其他先進技術相結合，開發(fā)出更加智能、高效的人機融合控制系統(tǒng)，也是我們未來研究的重要方向。展望未來，我們相信基于腦機接口的人機融合控制技術將會在更多領域得到應用和發(fā)展。隨著技術的不斷進步和創(chuàng)新，我們將能夠開發(fā)出更加智能、高效的人機融合控制系統(tǒng)，為人類創(chuàng)造更加美好的生活。我們也期待與更多的研究者和企業(yè)合作，共同推動腦機接口技術的發(fā)展和應用。參考資料：隨著科技的快速發(fā)展，人類與機器的交互方式正發(fā)生著深刻的變化。近年來，腦機接口技術的突飛猛進，讓我們看到了一個全新的未來，一個腦機接口與相互融合的時代正在悄然開啟。腦機接口，簡單來說，就是直接在大腦與外部設備之間建立通信通道。這種技術能夠讓人類通過思考直接控制機器，從而實現(xiàn)人機交互的無縫對接。在這個過程中，人工智能的角色不可或缺。它既是腦機接口技術的關鍵組成部分，也是實現(xiàn)人機共融的重要推動力。在醫(yī)療領域，腦機接口的應用已經(jīng)取得了顯著的成果。通過腦機接口，患者可以控制假肢、輪椅等設備，改善生活質量。同時，對于一些神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如帕金森病、癲癇等，腦機接口技術也有望成為治療的新手段。然而，腦機接口技術的潛力遠不止于此。在娛樂、教育、工業(yè)等領域，腦機接口同樣有著廣泛的應用前景。例如，在游戲產(chǎn)業(yè)中，腦機接口可以讓玩家通過思考直接控制游戲角色，帶來全新的游戲體驗。在教育領域，腦機接口可以幫助教師更好地理解學生的學習狀況，從而制定出更有效的教學策略。在工業(yè)生產(chǎn)中，腦機接口可以實現(xiàn)人機協(xié)同作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。當然，腦機接口技術的發(fā)展也面臨著一些挑戰(zhàn)。如何提高腦機接口的準確性和穩(wěn)定性？如何保護用戶的隱私和安全？如何讓更多的人受益于腦機接口技術？這些都是我們需要深入思考和解決的問題。展望未來，腦機接口與的融合將為人類帶來前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。在這個過程中，我們需要不斷探索、創(chuàng)新、實踐，努力實現(xiàn)人機共融的美好愿景。我們也需要保持警惕，確保技術的發(fā)展不會對人類造成傷害。只有這樣，我們才能真正地駕馭這一強大的技術，讓人類的生活變得更加美好。腦機接口（BMI）是一種將神經(jīng)信號與計算機或機器人交互的技術，有助于恢復感覺、運動等功能，甚至可能實現(xiàn)人與機器之間的直接交流。隨著科技的不斷進步，腦機接口技術的發(fā)展日新月異，然而標準化在其發(fā)展中起著至關重要的作用。本文將探討腦機接口標準化進展的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)與未來。自20世紀90年代腦機接口概念提出以來，其發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了幾個階段。腦機接口技術的廣泛應用將有助于解決諸多難題，如醫(yī)療、通信、智能控制等領域。然而，這一領域仍面臨著諸如技術多樣性、缺乏標準化框架等挑戰(zhàn)。標準化是推動腦機接口技術發(fā)展的必要條件。標準化有利于技術進步，確保各研究團隊之間的研究成果共享和交流，進而推動整體技術水平的提升。標準化能提高產(chǎn)品質量和安全性，降低可能的風險。標準化還能降低腦機接口技術的應用成本，有利于技術的普及和推廣。雖然腦機接口技術的標準體系正在不斷完善，但目前仍存在一些問題。例如，不同研究團隊采用的技術方案不統(tǒng)一，導致研究成果難以共享和比較。知識產(chǎn)權保護問題也為標準化進程帶來了一定困難。從技術研究、市場前景、社會價值等多個角度，腦機接口標準化進展的未來充滿希望。隨著越來越多的人這一領域，腦機接口技術將有望在醫(yī)療、通信、智能控制等諸多領域發(fā)揮更大的作用。標準化將進一步推動技術普及和應用，而技術的進步也將帶動標準的更新和完善。在市場前景方面，腦機接口技術的應用范圍廣泛。例如，在醫(yī)療領域，腦機接口可用于康復治療、疾病診斷和藥物研發(fā)；在通信領域，腦機接口可以實現(xiàn)人-人、人-機直接交流，提高通信效率；在智能控制領域，腦機接口可幫助實現(xiàn)智能家居、智能交通等。標準化將有助于這些應用領域的發(fā)展，同時也會帶動相關產(chǎn)業(yè)的繁榮。在社會價值方面，腦機接口技術的應用對人類社會的影響深遠。例如，在養(yǎng)老護理領域，腦機接口可以幫助老年人實現(xiàn)自主生活，減輕社會負擔；在教育領域，通過腦機接口技術，可以實現(xiàn)對學習過程的實時反饋和調整，提高教育質量。隨著標準化進程的推進，這些社會價值將得到更好的體現(xiàn)。標準化對腦機接口技術的發(fā)展至關重要。雖然現(xiàn)階段標準化工作還存在諸多問題，但是隨著技術的不斷進步和社會的不斷發(fā)展，腦機接口標準化進展將有望實現(xiàn)更大的突破。未來，我們需要更加重視標準化工作，通過完善標準體系、統(tǒng)一技術方案、加強知識產(chǎn)權保護等方式，推動腦機接口技術的快速發(fā)展和應用普及。我們也需要從多角度腦機接口技術的發(fā)展，不斷拓展其應用領域和社會價值。腦機接口（Brain-MachineInterface，BMI；BrainComputerInterface，BCI），指在人或動物大腦與外部設備之間創(chuàng)建的直接連接，實現(xiàn)腦與設備的信息交換。這一概念其實早已有之，但直到上世紀九十年代以后，才開始有階段性成果出現(xiàn)。腦機接口技術是一種變革性的人機交互技術。其作用機制是繞過外周神經(jīng)和肌肉，直接在大腦與外部設備之間建立全新的通信與控制通道。它通過捕捉大腦信號并將其轉換為電信號，實現(xiàn)信息的傳輸和控制。2023年，科學家們開發(fā)了可以將神經(jīng)信號轉化為接近正常對話速度的語句的腦機接口。全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗在北京獲得成功，促進了介入式腦機接口從實驗室前瞻性研究向臨床應用邁進。隨著腦科學、人工智能和材料學的發(fā)展，腦機接口技術的不斷進步，它將在提高患者生活質量、促進個性化和精準化醫(yī)療方面發(fā)揮重要的作用。2024年1月29日，首例人類接受了腦機接口公司Neuralink的植入物，目前恢復良好。初步結果顯示神經(jīng)元尖峰檢測（neuronspikedetection）表現(xiàn)出良好的前景。腦機接口，有時也稱作“大腦端口”directneuralinterface或者“腦機融合感知”brain-machineinterface，它是在人或動物腦（或者腦細胞的培養(yǎng)物）與外部設備間建立的直接連接通路。在單向腦機接口的情況下，計算機或者接受腦傳來的命令，或者發(fā)送信號到腦（例如視頻重建），但不能同時發(fā)送和接收信號。而雙向腦機接口允許腦和外部設備間的雙向信息交換。腦機接口是一種在腦與外部設備之間建立直接的通信渠道。其信號來自中樞神經(jīng)系統(tǒng)，傳播中不依賴于外周的神經(jīng)與肌肉系統(tǒng)。常用于輔助、增強、修復人體的感覺–運動功能或提升人機交互能力。在該定義中，“腦”一詞意指有機生命形式的腦或神經(jīng)系統(tǒng)，而并非僅僅是“mind”?！皺C”意指任何處理或計算的設備，其形式可以從簡單電路到硅芯片。對腦機接口的研究已持續(xù)了超過40年了。20世紀90年代中期以來，從實驗中獲得的此類知識顯著增長。在多年來動物實驗的實踐基礎上，應用于人體的早期植入設備被設計及制造出來，用于恢復損傷的聽覺、視覺和肢體運動能力。研究的主線是大腦不同尋常的皮層可塑性，它與腦機接口相適應，可以像自然肢體那樣控制植入的假肢。在當前所取得的技術與知識的進展之下，腦機接口研究的先驅者們可令人信服地嘗試制造出增強人體功能的腦機接口，而不僅僅止于恢復人體的功能。這種技術在以前還只存在于科幻小說之中。神經(jīng)修復是神經(jīng)科學中和神經(jīng)的修復相關的領域，即使用人工裝置（假體）替換掉原有功能已削弱的部分神經(jīng)或感覺器官。神經(jīng)假體最廣泛的應用是人工耳蝸，截止到2006年世界上已有大約十萬人植入。也有一些神經(jīng)假體是用于恢復視力的，如人工視網(wǎng)膜，迄今在這方面的工作僅僅局限于將人工裝置直接植入腦部。腦機接口和神經(jīng)修復的區(qū)別主要從字面上就可見其端倪：“神經(jīng)修復”通常指臨床上使用的裝置，而許多現(xiàn)有的腦機接口仍然是實驗性質的。實踐上講神經(jīng)假體可以和神經(jīng)系統(tǒng)的任意部分相連接，如外周神經(jīng)系統(tǒng)；而“腦機接口”通常指一類范圍更窄的直接與腦相連接的系統(tǒng)。由于目標和實現(xiàn)手段的相似性，“神經(jīng)修復”和“腦機接口”兩術語經(jīng)常可以通用。神經(jīng)修復和腦機接口嘗試達到一個共同的目標，如恢復視覺、聽覺、運動能力，甚至是認知的能力。兩者都使用類似的實驗方法和外科手術技術。一聽到“腦機接口”（BMI），也許會讓人以為身處科幻電影中，認為這是一種能夠升級人類能力的技術。例如，將人的大腦與計算機連接，通過思想隨心所欲地操縱機器；或者借助計算機將人與人的大腦相連，使之無需語言就能彼此溝通交流；等等。實際上，腦機接口研究的最初目的是有效地恢復患者因疾病或外傷喪失的運動功能和交流能力，它是一項應用于醫(yī)療、康復、護理等領域的技術。感覺型腦機接口，它是將輸入到人體傳感器的外界信息轉換（編碼）為電信號，通過植入到腦內的電極將該信號傳遞給感覺神經(jīng)，從而實現(xiàn)重建感覺功能。例如，對于存在聽覺障礙的患者，在其耳部植入小型傳聲器，將傳聲器采集到的聲音信息通過嵌入聽神經(jīng)的電極傳入腦內（人工耳蝸），就可以達到恢復聽力的效果。在臨床上，這種技術已經(jīng)應用于佩戴助聽器改善聽力效果不佳的患者身上。運動型腦機接口，簡單來說，它是通過思維來驅動機器。當要做某個動作時，計算機通過讀取大腦運動區(qū)的信號，就可以直接驅動機器。一般情況下，腦機接口指的是運動型腦機接口，多數(shù)人想象中的腦機接口也基本上是運動型的。腦機接口技術中，有向人體植入某種裝置的侵入式，也有通過戴在頭部并從體外讀取腦的信息或者向腦傳輸信號的非侵入式。人工耳蝸就是侵入式腦機接口的例子。腦機接口技術預計會得到快速發(fā)展。在可見的未來，有可能實現(xiàn)腦和外部網(wǎng)絡的直接連接。例如，將類似超小型智能手機的設備植入腦內，從而實現(xiàn)不用手持而是用腦對其直接操作。如果發(fā)展到腦與外部網(wǎng)絡直接連接，則個人的思考、決策會在更大的程度上受到來自第三者或人工智能發(fā)出的信息的影響；自己腦內思考著的信息如果可能泄露到外部，則會引起隱私方面的擔憂。有專家指出，無論采取什么樣的形式，腦和外部網(wǎng)絡的連接，都需要慎重對待。在面向運動功能的腦機接口方面，發(fā)展算法重建運動皮層神經(jīng)元對運動的控制，該研究可以回溯到20世紀70年代。Schmidt,Fetz和Baker領導的小組在20世紀70年代證實了猴可以在閉環(huán)的操作性條件作用（closed-loopoperantconditioning）后快速學會自由地控制初級運動皮層中單個神經(jīng)元的放電頻率。20世紀80年代，約翰斯·霍普金斯大學的ApostolosGeorgopuolos找到了獼猴的上肢運動的方向和運動皮層中單個神經(jīng)元放電模式的關系。他同時也發(fā)現(xiàn)，一組分散的神經(jīng)元也能夠編碼肢體運動。上世紀九十年代中期以來，面向運動的腦機接口經(jīng)歷了迅速的發(fā)展。若干研究小組已經(jīng)能夠使用神經(jīng)集群記錄技術實時捕捉運動皮層中的復雜神經(jīng)信號，并用來控制外部設備。其中主要包括了RichardAndersen、JohnDonoghue、PhillipKennedy、MiguelNicolelis和AndrewSchwartz等人的研究小組。迄今人類已經(jīng)能夠修復或者正在嘗試修復的感覺功能包括聽覺、視覺和前庭感覺。視覺修復技術尚在研發(fā)之中。這方面的研究和應用落后于聽覺同能的主要原因是視覺傳遞信息量的巨大和外周感覺器官（視網(wǎng)膜）和中樞視覺系統(tǒng)在功能上的相對復雜性。具體參見視覺假體。美國約翰·霍普金斯大學的DellaSantina及其同事開發(fā)出一種可以修復三維前庭感覺的前庭植入物。侵入式腦機接口主要用于重建特殊感覺（例如視覺）以及癱瘓病人的運動功能。此類腦機接口通常直接植入到大腦的灰質，因而所獲取的神經(jīng)信號的質量比較高。但其缺點是容易引發(fā)免疫反應和愈傷組織（疤），進而導致信號質量的衰退甚至消失。視覺腦機接口方面的一位先驅是WilliamDobelle。他的皮層視覺腦機接口主要用于后天失明的病人。1978年，Dobelle在一位男性盲人Jerry的視覺皮層植入了68個電極的陣列，并成功制造了光幻視（Phosphene）。該腦機接口系統(tǒng)包括一個采集視頻的攝像機，信號處理裝置和受驅動的皮層刺激電極。植入后，病人可以在有限的視野內看到灰度調制的低分辨率、低刷新率點陣圖像。該視覺假體系統(tǒng)是便攜式的，且病人可以在不受醫(yī)師和技師幫助的條件下獨立使用。2002年，JensNaumann成為了接受Dobelle的第二代皮層視覺假體植入的16位病人中的第一位。第二代皮層視覺假體的特點是能將光幻視更好地映射到視野，創(chuàng)建更穩(wěn)定均一的視覺。其光幻視點陣覆蓋的視野更大。接受植入后不久，Jens就可以自己在研究中心附近慢速駕車漫游。針對“運動神經(jīng)假體”的腦機接口方面，Emory大學的PhilipKennedy和RoyBakay最先在人植入了可獲取足夠高質量的神經(jīng)信號來模擬運動的侵入性腦機接口。他們的病人JohnnyRay患有腦干中風導致的鎖閉綜合癥。Ray在1998年接受了植入，并且存活了足夠長的時間來學會用該腦機接口來控制電腦光標。2005年，Cyberkinetics公司獲得美國FDA批準，在九位病人進行了第一期的運動皮層腦機接口臨床試驗。四肢癱瘓的MattNagle成為了第一位用侵入式腦機接口來控制機械臂的病人，他能夠通過運動意圖來完成機械臂控制、電腦光標控制等任務。其植入物位于前中回的運動皮層對應手臂和手部的區(qū)域。該植入稱為BrainGate，是包含96個電極的陣列。部分侵入式腦機接口一般植入到顱腔內，但是位于灰質外。其空間分辨率不如侵入式腦機接口，但是優(yōu)于非侵入式。其另一優(yōu)點是引發(fā)免疫反應和愈傷組織的幾率較小。皮質腦電圖（ECoG：ElectroCorticoGraphy）的技術基礎和腦電圖的相似，但是其電極直接植入到大腦皮層上，硬腦膜下的區(qū)域。華盛頓大學（圣路易斯）的EricLeuthardt和DanielMoran是最早在人體試驗皮層腦電圖的研究者。根據(jù)一則報道，他們的基于皮層腦電圖的腦機接口能夠讓一位少年男性病人玩電子游戲。同時該研究也發(fā)現(xiàn)，用基于皮層腦電圖的腦機接口來實現(xiàn)多于一維的運動控制是比較困難的?；凇肮夥磻上瘛钡哪X機接口尚處在理論階段。其概念是在顱腔內植入可測量單神經(jīng)元興奮狀態(tài)的微型傳感器，以及受其驅動的微型激光源?？捎迷摷す庠吹牟ㄩL或時間模式的變化來編碼神經(jīng)元的狀態(tài)，并將信號發(fā)送到顱腔外。該概念的優(yōu)點是可在感染、免疫反應和愈傷反應的幾率較小的條件下長時間監(jiān)視單個神經(jīng)元的興奮狀態(tài)。和侵入式腦機接口一樣，研究者也使用非侵入式的神經(jīng)成像術作為腦機之間的接口在人身上進行了實驗。用這種方法記錄到的信號被用來加強肌肉植入物的功能并使參加實驗的志愿者恢復部分運動能力。雖然這種非侵入式的裝置方便佩戴于人體，但是由于顱骨對信號的衰減作用和對神經(jīng)元發(fā)出的電磁波的分散和模糊效應，記錄到信號的分辨率并不高。這種信號波仍可被檢測到，但很難確定發(fā)出信號的腦區(qū)或者相關的單個神經(jīng)元的放電。作為有潛力的非侵入式腦機接口已得到深入研究，這主要是因為該技術良好的時間分辨率、易用性、便攜性和相對低廉的價格。但該技術的一個問題是它對噪聲的敏感，另一個使用EEG作為腦機接口的現(xiàn)實障礙是使用者在工作之前要進行大量的訓練。這方面研究的一個典型例子是德國圖賓根大學的NielsBirbaurmer于1990年代進行的項目。該項目利用癱瘓病人的腦電圖信號使其能夠控制電腦光標。經(jīng)過訓練，十位癱瘓病人能夠成功地用腦電圖控制光標。但是光標控制的效率較低，在屏幕上寫100個字符需要1個小時，且訓練過程常耗時幾個月。在Birbaumer的后續(xù)研究中，多個腦電圖成分可被同時測量，包括μ波和β波。病人可以自主選擇對其最易用的成分進行對外部的控制。與上述這種需要訓練的EEG腦機接口不同，一種基于腦電P300信號的腦機接口不需要訓練，因為P300信號是人看到熟識的物體是非自主地產(chǎn)生的。美國羅切斯特大學的JessicaBayliss的2000年的一項研究顯示，受試者可以通過P300信號來控制虛擬現(xiàn)實場景中的一些物體，例如開關燈或者操縱虛擬轎車等。1999年，美國凱斯西留地大學由HunterPeckham領導的研究組用64導腦電圖恢復了四肢癱瘓病人JimJatich的一定的手部運動功能。該技術分析腦電信號中的β波，來分類病人所想的向上和向下兩個概念，進而控制一個外部開關。除此以外，該技術還可以使病人控制電腦光標以及驅動其手部的神經(jīng)控制器，來一定程度上回復運動功能。應用人工神經(jīng)網(wǎng)絡，計算機可以分擔病人的學習負擔。Fraunhofer學會2004年用這一技術顯著降低了腦機接口訓練學習所需的時間。EduardoMiranda的一系列試驗旨在提取和音樂相關的腦電信號，使得殘疾病人可以通過思考音樂來和外部交流，這種概念稱為“腦聲機”（encephalophone）。細胞培養(yǎng)物的腦機接口是動物（或人）體外的培養(yǎng)皿中的神經(jīng)組織和人造設備之間的通訊機制。這方面研究的焦點是建造具有問題解決能力的神經(jīng)元網(wǎng)絡，進而促成生物式計算機。研究者有時在半導體晶片上培養(yǎng)神經(jīng)組織，并且從這些神經(jīng)細胞記錄信號或對其進行刺激。這類研究常稱為“神經(jīng)電子學”（Neuroelectronics）或“神經(jīng)芯片”（Neurochips）。1997年，加州理工JeromePine和MichaelMaher的團隊最先宣稱研制成功神經(jīng)芯片。該芯片集成了16個神經(jīng)元。2003年，美國南加州大學的TheodoreBerger小組開始研制能夠模擬海馬功能的神經(jīng)芯片。該小組的目標是將這種神經(jīng)芯片植入大鼠腦內，使其稱為第一種高級腦功能假體。他們之所以選擇海馬作為研究對象為其高度有序的組織以及豐富的研究文獻。海馬體的功能與記憶生成和長期記憶有關。佛羅里達大學的ThomasDeMarse用提取自大鼠腦的包含25000個神經(jīng)元的培養(yǎng)物來操控一個F-22戰(zhàn)斗機模擬程序。這些神經(jīng)元提取自大腦皮層，離體以后，它們在培養(yǎng)皿上迅速集結成活的神經(jīng)元網(wǎng)絡，并且與60個電極通訊，來控制戰(zhàn)斗機的上下和左右搖擺運動。該項目的主要目的是研究人類的腦在細胞層面上如何學習特定的計算任務。2022年11月25日至30日，2022中關村論壇將在北京舉辦。論壇將探討腦機接口。腦磁圖（MEG）以及功能核磁共振成像（fMRI）都已成功實現(xiàn)非侵入式腦機接口。例如在一項研究中，病人利用生物反饋技術可以用改變fMRI所檢測到的腦部血流信號來控制乒乓球運動。也有人用fMIR信號來準實時地控制機械臂，這一控制的延遲大位7秒左右。一些實驗室已實現(xiàn)從猴和大鼠的大腦皮層上記錄信號以便操作腦機接口來實現(xiàn)運動控制。實驗讓猴只是通過回想給定的任務（而沒有任何動作發(fā)生）來操縱屏幕上的計算機光標并且控制機械臂完成簡單的任務。另外在貓上進行的研究對視覺信號進行了解碼。2023年5月4日，由南開大學段峰教授團隊牽頭的全球首例非人靈長類動物介入式腦機接口試驗在北京獲得成功。2023年8月23日，《Nature》發(fā)表的論文中，加州大學開發(fā)出的腦機技術，將大腦信號轉為文本、語音和表情，加拿大女性安失語了18年可以再次“說話”了。2023年10月，發(fā)表在最新一期《科學進展》上的一項研究結果顯示，美國約翰斯·霍普金斯大學開發(fā)出一種治療漸凍癥（ALS）的腦機接口（BCI），其能在3個月內保持90%的準確率，且無需重新訓練或重新校準算法。2024年1月30日，媒體報道，據(jù)國外社交媒體平臺顯示，馬斯克表示：人類首次接受腦機接口（Neuralink）芯片植入，植入者恢復良好。2022年1月11日，成立數(shù)月的腦虎科技（Neuroess）宣布完成9700萬元的天使輪及Pre-A輪融資，這是國內腦機接口領域最大規(guī)模的早期融資，主要投資機構包括盛大、紅杉資本、涌鏵等。憑借去2021世界人工智能大會最高獎的原創(chuàng)核心技術，腦虎科技對標美國企業(yè)家埃隆·馬斯克的腦機接口公司Neuralink，聚焦全球范圍非常稀缺的侵入式腦機接口設備研發(fā)。JohnDonoghue及其同事創(chuàng)立了Cybernetics公司，宗旨是推動實用的人類腦機接口技術的發(fā)展。該公司目以Cybernetics神經(jīng)技術公司為名在美國股市上市。BrainGate是該公司生產(chǎn)的電極陣列，該產(chǎn)品基于美國猶他大學的RichardNormann研發(fā)的“猶他”電極陣列。PhilipKennedy創(chuàng)立了NeuralSignals公司。該公司生產(chǎn)的腦機接口設備使用玻璃錐內含的蛋白質包裹的微電極陣列，旨在促進電極和神經(jīng)元之間的耦合。該公司除了生產(chǎn)侵入式腦機接口產(chǎn)品，還銷售一種可回復言語功能的植入設備。2004年為止，WilliamDobelle創(chuàng)建的公司已經(jīng)在16位失明病人內植入了初級視皮層視覺假體。該公司仍在繼續(xù)研發(fā)視覺植入物，但這類產(chǎn)品尚沒有獲得FDA的批準，因而不能在美國境內使用于人類。關于腦機接口的倫理學爭論尚不活躍，動物保護組織也對這方面的研究關注也不多。這主要是因為腦機接口研究的目標是克服多種殘疾，也因為腦機接口通常給予病人控制外部世界的能力，而不是被動接受外部世界的控制。（當然視覺假體、人工耳蝸等感覺修復技術是例外。）有人預見，未來當腦機接口技術發(fā)展到一定程度后，將不但能修復殘疾人的受損功能，也能增強正常人的功能。例如深部腦刺激（DBS）技術和RTMS等技術可以用來治療抑郁癥和帕金森氏病，將來也可能可以用來改變正常人的一些腦功能和個性。又例如，上文提及的海馬體神經(jīng)芯片將來可能可以用來增強正常人的記憶。這可能將帶來一系列關于“何為人類”、“心靈控制”的問題爭論。PhillipKennedy及其同事用錐形營養(yǎng)性(neurotrophic-cone)電極植入術在猴上建造了第一個皮層內腦機接口。1999年，哈佛大學的GarrettStanley試圖解碼貓的丘腦外側膝狀體內的神經(jīng)元放電信息來重建視覺圖像。他們記錄了177個神經(jīng)元的脈沖列，使用濾波的方法重建了向貓播放的八段視頻，從重建的結果中可以看到可辨認的物體和場景。杜克大學的MiguelNicolelis是支持用覆蓋廣大皮層區(qū)域的電極來提取神經(jīng)信號、驅動腦機接口的代表。他認為，這種方法的優(yōu)點是能夠降低單個電極或少量電極采集到的神經(jīng)信號的不穩(wěn)定性和隨機性。Nicolelis在1990年代完成在大鼠的初步研究后，在夜猴內實現(xiàn)了能夠提取皮層運動神經(jīng)元的信號來控制機器人手臂的實驗。到2000年為止，Nicolelis的研究組成功實現(xiàn)了一個能夠在夜猴操縱一個游戲桿來獲取食物時重現(xiàn)其手臂運動的腦機接口。這個腦機接口可以實時工作。它也可以通過因特網(wǎng)遠程操控機械手臂。不過由于猴子本身不接受來自機械手臂的感覺反饋，這類腦機接口是開環(huán)的。Nicolelis小組后來的工作使用了恒河猴。其它設計腦機接口算法和系統(tǒng)來解碼神經(jīng)元信號的實驗室包括布朗大學的JohnDonoghue、匹茲堡大學的AndrewSchwartz、加州理工的RichardAnderson。這些研究者的腦機接在某一時刻使用的神經(jīng)元數(shù)為15-30，比Nicolelis的50-200個顯著要少。Donoghue小組的主要工作是實現(xiàn)恒河猴對計算機屏幕上的光標的運動控制來追蹤視覺目標。其中猴子不需要運動肢體。Schwartz小組的主要工作是虛擬現(xiàn)實的三維空間中的視覺目標追蹤，以及腦機接口對機械臂的控制。這個小組宣稱，他們的猴子可以通過腦機接口控制的機械臂來喂自己吃西葫蘆。Anderson的小組正在研究從后頂葉的神經(jīng)元提取前運動信號的腦機接口。此類信號包括實驗動物在期待獎勵時所產(chǎn)生信號。除了以上所提及的這些用于計算肢體的運動參數(shù)的腦機接口以外，還有用于計算肌肉的電信號（肌電圖）的腦機接口。此類腦機接口的一個應用前景是通過刺激癱瘓病人的肌肉來重建其自主運動的功能。2006年，布朗大學研究團隊完成首個大腦運動皮層腦機接口設備植入手術，能夠用來控制鼠標。2008年，匹茲堡大學神經(jīng)生物學家宣稱利用腦機接口，猴子能用操縱機械臂給自己喂食——這標志著該技術發(fā)展已經(jīng)容許人們將動物腦與外部設備直接相連。2012年，腦機接口設備已能夠勝任更復雜和廣泛的操作，得以讓癱瘓病人對機械臂進行操控，自己喝水、吃飯、打字與