通過(guò)傳感器與AI的融合，構(gòu)建人與機(jī)器的新關(guān)系

無(wú)需任何操作，通過(guò)BMI（腦機(jī)接口）就能像自己的手腳一樣操縱機(jī)器

2023/01/31

通過(guò)傳感器與AI的融合，構(gòu)建人與機(jī)器的新關(guān)系

傳感器

AI

隨著各種機(jī)器和機(jī)器人的發(fā)展，我們已經(jīng)可以輕松地完成靠人類(lèi)的肌肉力量和運(yùn)動(dòng)能力無(wú)法應(yīng)對(duì)的操作。另外，隨著傳感器和AI等信息處理技術(shù)的進(jìn)步，超越人類(lèi)五感的感知能力也開(kāi)始得到了活用。想要人們能夠自由自在地靈活使用通過(guò)這些機(jī)器實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展能力，就需要一些能讓機(jī)器和人的關(guān)系更加密切的其他技術(shù)。

圖1檢測(cè)大腦活動(dòng)，自由操縱機(jī)器

讀取大腦活動(dòng)，創(chuàng)造先進(jìn)的HMI（人機(jī)接口）

人在操作機(jī)器時(shí)，連接兩者的接口叫做人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）。對(duì)汽車(chē)而言就是方向盤(pán)和踏板，對(duì)電腦而言就是鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，對(duì)智能手機(jī)而言就是觸摸屏，把這些接口當(dāng)作HMI，就可以操縱機(jī)器。最近，語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)得到發(fā)展，就像AI揚(yáng)聲器一樣，已經(jīng)能把自然語(yǔ)言作為HMI來(lái)操縱機(jī)器。另外，如果把已經(jīng)在游戲等方面實(shí)用化的虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality：VR）技術(shù)加以活用，就可以一邊感受臨場(chǎng)感和實(shí)體感，一邊體驗(yàn)用電腦制作出的虛擬世界里的事物。人和機(jī)器的關(guān)系，因技術(shù)的進(jìn)步正在穩(wěn)步縮小距離。

但是，在現(xiàn)有的HMI中，要將大腦中思考的動(dòng)作和操作傳達(dá)給機(jī)器，則需要相應(yīng)的技能。就如同賽車(chē)手和巴士司機(jī)一樣，需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行訓(xùn)練，才能像控制自己的手腳一樣自由地控制車(chē)輛。另外，如果通過(guò)方向盤(pán)等工具操作機(jī)器，無(wú)論如何操作都會(huì)產(chǎn)生微小的延遲。想要實(shí)現(xiàn)人和機(jī)器仿佛融合在一起似的操作感，就需要更能縮短兩者距離的技術(shù)。

那么，人類(lèi)和機(jī)器之間的距離未來(lái)會(huì)縮小到什么程度呢？現(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)一項(xiàng)可以稱(chēng)之為“HMI的先進(jìn)形態(tài)”的技術(shù)，它可以像自己的手腳一樣無(wú)意識(shí)地操作機(jī)器。這就是被稱(chēng)之為BMI（Brain Machine Interface，腦機(jī)接口）的技術(shù)（圖1）。BMI的一部分應(yīng)用已經(jīng)發(fā)展到可以實(shí)用化的階段。下面為大家介紹BMI的發(fā)展趨勢(shì)及其影響力。

通過(guò)傳感技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，將大腦所想之事可視化

用于檢測(cè)大腦活動(dòng)的傳感技術(shù)，以及解析（解碼）大腦活動(dòng)狀況的信息處理技術(shù)的開(kāi)發(fā)日趨活躍（圖2）。并且，高端的BMI正逐漸得以實(shí)現(xiàn)。

圖2通過(guò)傳感技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)BMI

過(guò)去，想要調(diào)查大腦活動(dòng)，需要使用大規(guī)模的醫(yī)療儀器來(lái)測(cè)量腦波的變化及其在大腦中的分布。腦波是指將構(gòu)成大腦的神經(jīng)細(xì)胞的突起所產(chǎn)生的電位，從頭皮表層等記錄下來(lái)的微小電信號(hào)。要準(zhǔn)確測(cè)量腦波，需要使用12個(gè)以上記錄腦波用的元件，來(lái)精密測(cè)量幾微伏的電位變動(dòng)。

近年來(lái)，無(wú)創(chuàng)且準(zhǔn)確讀取腦波的傳感技術(shù)得到迅速發(fā)展，已無(wú)需實(shí)施將電極植入大腦之類(lèi)的外科性措施。由于腦波是通過(guò)微伏這種微小電壓的變動(dòng)來(lái)進(jìn)行觀測(cè)，所以會(huì)受到肌肉產(chǎn)生的肌電噪聲和周邊環(huán)境的電磁波的影響，難以正確測(cè)量。隨著去除噪音技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以使用小型傳感器進(jìn)行高精度的腦波測(cè)量。

除了讀取微小電位變動(dòng)的方法以外，還有測(cè)量伴隨大腦活動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方法，以及在頭部照射近紅外光，通過(guò)檢測(cè)光的散射和反射情況來(lái)推測(cè)腦內(nèi)血流量變化的技術(shù)等方面，傳感器的小型化和高精度化也在不斷發(fā)展。另外，一種叫做“fMRI（功能性磁共振成像裝置）”*1的技術(shù)也逐漸得到利用。fMRI可以高度精準(zhǔn)地確定出大腦中的活躍部位，能測(cè)量出更加詳細(xì)的大腦活動(dòng)狀況。根據(jù)不同目的區(qū)分使用這些技術(shù)，就可以從多方面了解到大腦活動(dòng)的情況。

*1fMRI（functional magnetic resonance imaging，功能性磁共振成像裝置）是測(cè)量腦內(nèi)流動(dòng)血液中的脫氧血紅蛋白產(chǎn)生的電磁波，檢測(cè)腦內(nèi)任意部位的活動(dòng)的技術(shù)。

另外，解析（解碼）腦波等反映大腦活動(dòng)的生物信息的技術(shù)也正在不斷發(fā)展，已經(jīng)可以將人們所看和所聽(tīng)到的認(rèn)知信息可視化。目前該技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到的階段是，只要收集到準(zhǔn)確的大腦活動(dòng)信息并充分解析，就可以從大腦的活動(dòng)信息中，將睡眠中看的夢(mèng)里的內(nèi)容和人們用眼睛看的映像，模糊顯示在監(jiān)視器上。另外，還可以判定喜怒哀樂(lè)等精神狀態(tài)以及對(duì)所學(xué)之事的理解程度。

近年來(lái)，深度學(xué)習(xí)（Deep Learning）作為人工智能（AI）的主干技術(shù)，開(kāi)始被活用于各種領(lǐng)域。根據(jù)深度學(xué)習(xí)的理論，準(zhǔn)確地將腦功能模型化，明確了解到腦細(xì)胞活動(dòng)和人腦各部分是如何一邊相互關(guān)聯(lián)一邊工作的，并且解析精度正迅速提高。

從娛樂(lè)到福利和教育，BMI的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

現(xiàn)在測(cè)量大腦活動(dòng)已經(jīng)變得相對(duì)簡(jiǎn)單，因此人們正在嘗試將測(cè)量獲得的信息應(yīng)用于各種用途。

例如，利用腦波傳感器，可以判斷人的注意力集中程度以及放松的狀態(tài)。具備該功能的耳機(jī)已經(jīng)實(shí)用化。并且還可以制作成游戲等，使登場(chǎng)人物的動(dòng)作和故事發(fā)展能根據(jù)人們的精神狀態(tài)發(fā)生變化。如果娛樂(lè)內(nèi)容讓觀眾和玩家感到厭倦則會(huì)失去意義。但是，無(wú)論多么有趣的內(nèi)容，也會(huì)有人感到無(wú)聊。因此，如果能提供根據(jù)每個(gè)人的精神狀態(tài)，用各種方法喚起人們感動(dòng)的內(nèi)容，一定會(huì)讓所有人感到滿意。

另外，還有一種活用BMI的舉措，就是通過(guò)機(jī)器支援殘障人士的生活。從腦波中辨別數(shù)百種信息的裝置已經(jīng)實(shí)用化，該裝置作為說(shuō)話和寫(xiě)字有困難的重度運(yùn)動(dòng)障礙者的一種交流手段，其活用方式備受期待。通過(guò)活用BMI，能像真正的手腳一樣操縱假手和假肢，這個(gè)時(shí)代的到來(lái)也許已經(jīng)不太遙遠(yuǎn)。

此外，還有一個(gè)正在實(shí)施的舉措是，檢測(cè)出大腦對(duì)于人受到的刺激所做出的反應(yīng)，并應(yīng)用在高效的教育和訓(xùn)練中，以提高學(xué)習(xí)效果。解析出大腦是如何聽(tīng)取和區(qū)分英語(yǔ)會(huì)話的語(yǔ)音，再將其反饋給學(xué)習(xí)者，通過(guò)這個(gè)方法，目前正在開(kāi)發(fā)可在短時(shí)間內(nèi)提高英語(yǔ)聽(tīng)力能力的系統(tǒng)等。

BMI是將人與機(jī)器的距離縮小到極限，并將兩者進(jìn)行融合的一項(xiàng)不可或缺的技術(shù)。如果得到發(fā)展，人們就能像操縱自己的手腳一樣，自由操縱巨大的機(jī)器、微小的機(jī)器、放置在遠(yuǎn)方或危險(xiǎn)場(chǎng)所的機(jī)器以及具有高度計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)等。BMI一定會(huì)成為擴(kuò)展人類(lèi)的可能性和支撐未來(lái)的技術(shù)。審核編輯 黃宇