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日前，天津大(da)學(xue)腦(nao)機海河實驗(yan)室和清華大(da)學(xue)集成電(dian)路學(xue)院聯手，開發出國際首(shou)個基于憶(yi)阻器神經(jing)形態器件的“雙環(huan)路”無(wu)創演(yan)進(jin)腦(nao)機接口(kou)系統。這項研究首(shou)次揭示了腦(nao)電(dian)發展與解碼器演(yan)化(hua)在腦(nao)機交互過(guo)程中的協同增強效(xiao)應，并成功實現了人腦(nao)對無(wu)人機的高效(xiao)四(si)自(zi)由度(du)操控(kong)。相關(guan)成果已于近期(qi)在國際學(xue)術期(qi)刊《自(zi)然·電(dian)子》上在線(xian)發表。
協(xie)同演進腦機接口框架
腦(nao)機(ji)接口能(neng)(neng)(neng)實(shi)現(xian)大腦(nao)與機(ji)器直(zhi)接信息(xi)交流(liu)，促(cu)(cu)進生(sheng)物智(zhi)能(neng)(neng)(neng)與機(ji)器智(zhi)能(neng)(neng)(neng)融合，被公認(ren)為是新一(yi)代人機(ji)交互和(he)人機(ji)混合智(zhi)能(neng)(neng)(neng)的核心技(ji)術。如何通(tong)過腦(nao)機(ji)之(zhi)間的信息(xi)交互實(shi)現(xian)“互學習(xi)”，進而促(cu)(cu)進腦(nao)機(ji)智(zhi)能(neng)(neng)(neng)的協(xie)同演進，是突破腦(nao)機(ji)性能(neng)(neng)(neng)瓶頸的重(zhong)點(dian)和(he)難點(dian)。但目(mu)前腦(nao)機(ji)交互過程(cheng)中大腦(nao)與機(ji)器的動態耦合機(ji)制(zhi)尚未厘清，導致腦(nao)機(ji)之(zhi)間的長時(shi)程(cheng)互適應能(neng)(neng)(neng)力較弱，工作性能(neng)(neng)(neng)隨時(shi)間下(xia)降嚴重(zhong)。
天津大(da)學(xue)(xue)與清華大(da)學(xue)(xue)研究團隊(dui)發現，腦(nao)電信號(hao)中(zhong)的(de)(de)(de)非平穩特性(xing)不僅來(lai)源于(yu)傳(chuan)統觀(guan)點認為的(de)(de)(de)背(bei)景腦(nao)電變(bian)異，而(er)且與閉環腦(nao)機(ji)(ji)(ji)(ji)交互(hu)引導下的(de)(de)(de)任務腦(nao)電演(yan)(yan)變(bian)密切相關。基于(yu)這一(yi)發現，團隊(dui)首次提(ti)(ti)出(chu)了(le)(le)“雙環路腦(nao)機(ji)(ji)(ji)(ji)協同演(yan)(yan)進(jin)框架”，并通過憶(yi)阻(zu)器(qi)(qi)神經形態(tai)器(qi)(qi)件構建(jian)了(le)(le)全新的(de)(de)(de)腦(nao)機(ji)(ji)(ji)(ji)接口系(xi)統。相比于(yu)傳(chuan)統純數字硬件方案(an)，憶(yi)阻(zu)器(qi)(qi)新方案(an)的(de)(de)(de)歸一(yi)化解碼速度提(ti)(ti)高了(le)(le)2個(ge)數量(liang)級(百倍)以上，能耗降(jiang)低了(le)(le)3個(ge)數量(liang)級(千分之(zhi)一(yi))以下，高效支撐了(le)(le)四自(zi)由度腦(nao)控無(wu)人機(ji)(ji)(ji)(ji)任務目標的(de)(de)(de)成功實現。在連續(xu)6小(xiao)時(shi)的(de)(de)(de)長時(shi)程腦(nao)機(ji)(ji)(ji)(ji)交互(hu)實驗中(zhong)，大(da)腦(nao)和解碼器(qi)(qi)的(de)(de)(de)貢獻比例呈現動態(tai)變(bian)化，展現出(chu)了(le)(le)腦(nao)機(ji)(ji)(ji)(ji)協同演(yan)(yan)進(jin)的(de)(de)(de)過程：初期以解碼器(qi)(qi)自(zi)適應更新為主，隨(sui)著時(shi)間推移，大(da)腦(nao)貢獻逐步增加，最終腦(nao)機(ji)(ji)(ji)(ji)接口性(xing)能不僅沒有下降(jiang)，還實現了(le)(le)約20%的(de)(de)(de)準確率提(ti)(ti)升。
(a)腦-憶(yi)阻(zu)器(qi)交互式(shi)更(geng)新框架(jia);(b)基(ji)于憶(yi)阻(zu)器(qi)腦電(dian)解碼的實時腦控無人(ren)機飛行。
“這(zhe)項研究首次提出了腦(nao)機協同演進(jin)的(de)概念，并基(ji)于(yu)憶(yi)阻器(qi)(qi)神經(jing)形態器(qi)(qi)件完成(cheng)了技術驗證(zheng)，通過長時(shi)程大腦(nao)與(yu)憶(yi)阻器(qi)(qi)神經(jing)形態器(qi)(qi)件之間的(de)信息交互(hu)初步實(shi)現(xian)了生物智(zhi)(zhi)能與(yu)機器(qi)(qi)智(zhi)(zhi)能的(de)互(hu)適應、互(hu)學(xue)習，為(wei)未來(lai)實(shi)用型(xing)腦(nao)機接口(kou)系統提供了重(zhong)要(yao)的(de)理(li)論(lun)基(ji)礎與(yu)技術支撐，也為(wei)腦(nao)機融合(he)智(zhi)(zhi)能的(de)發展(zhan)開辟了新的(de)方向。”國家高層(ceng)次人才計劃入(ru)選者、天津大學(xue)腦(nao)機海河實(shi)驗室許(xu)敏鵬教授表示(shi)。“我們這(zhe)款系統未來(lai)計劃拓(tuo)展(zhan)到更多(duo)便(bian)攜式(shi)或可穿戴腦(nao)機接口(kou)設備中，服務于(yu)消費級(ji)、醫療級(ji)等各類(lei)智(zhi)(zhi)能人機交互(hu)實(shi)用場景。”
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