本報天津2月18日電（記者董山峰、王藝釗 通訊員焦德芳）穿戴無創(chuàng)腦機接口設備就能操作無人機？日前，天津大學腦機海河實驗室和清華大學集成電路學院共同開發(fā)了一款基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件的新型無創(chuàng)演進腦機接口系統(tǒng)，并首次揭示了腦電發(fā)展與解碼器演化在腦機交互過程中的協(xié)同增強效應，成功實現(xiàn)了人腦對無人機的高效四自由度操控。相關成果于近日在《自然·電子》上在線發(fā)表。
腦機接口能實現(xiàn)大腦與機器直接信息交流，促進生物智能與機器智能融合，被公認為是新一代人機交互和人機混合智能的核心技術。如何通過腦機之間的信息交互實現(xiàn)“互學習”，進而促進腦機智能的協(xié)同演進，是突破腦機性能瓶頸的重點和難點。
天津大學與清華大學研究團隊發(fā)現(xiàn)，腦電信號中的非平穩(wěn)特性不僅來源于傳統(tǒng)觀點認為的背景腦電變異，而且與閉環(huán)腦機交互引導下的任務腦電演變密切相關。基于這一發(fā)現(xiàn)，團隊通過憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件構建了全新的腦機接口系統(tǒng)，提出了“雙環(huán)路腦機協(xié)同演進框架”。在雙環(huán)路框架下，“機學習”環(huán)路中的憶阻器解碼器通過適應腦電信號波動完成解碼參數(shù)更新，“腦學習”環(huán)路中的任務相關腦電特征在“決策—反饋”循環(huán)的引導下不斷正向演化。
相比于傳統(tǒng)純數(shù)字硬件方案，憶阻器新方案的歸一化解碼速度提高了2個數(shù)量級（百倍）以上，能耗降低了3個數(shù)量級（千分之一）以下，高效支撐了四自由度腦控無人機任務目標的成功實現(xiàn)。在連續(xù)6小時的長時程腦機交互實驗中，大腦和解碼器的貢獻比例呈現(xiàn)動態(tài)變化，最終腦機接口性能實現(xiàn)了約20%的準確率提升。
“這項研究首次提出了腦機協(xié)同演進的概念，并基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件完成了技術驗證，為未來實用型腦機接口系統(tǒng)提供了重要的理論基礎與技術支撐，也為腦機融合智能的發(fā)展開辟了新的方向。”國家高層次人才計劃入選者、天津大學腦機海河實驗室教授許敏鵬表示。“我們這款系統(tǒng)未來計劃拓展到更多便攜式或可穿戴腦機接口設備中，服務于消費級、醫(yī)療級等各類智能人機交互實用場景。”
據(jù)了解，該研究由天津大學與清華大學團隊合作開展，天津大學腦機海河實驗室團隊完成協(xié)同演進腦機接口軟件系統(tǒng)設計與范式算法實現(xiàn)，清華大學集成電路學院團隊完成協(xié)同演進憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件硬件設計及憶阻器算法設計部署。
