浙大最新研究成果:猴脑电波控制机械手抓本子拿杯子

中国教育装备采购网2012-02-22 10:27围观137次我要分享

  中国教育装备采购网讯:据浙江在线近日消息,浙江大学求是高等研究院在紫金港校区实验室展示最新的“脑—机”接口技术研究成果。主角是一只名叫“建辉”的猴子(约5岁,相当于人的20岁左右)。它戴一顶花帽子,头上有几根电线拖出来,连在实验室的电脑上。在工作人员指挥下,“建辉”做出了抓、勾、握、捏四种不同的手部动作。在不远处,一只制作精密的机械手在“建辉”做出相应动作后,马上做出相同的抓、勾、握、捏的动作。机械手可以拿住本子、杯子、水瓶等物体。

  浙江大学“脑—机”接口技术研究团队郑筱祥教授说,有了这项技术,多年以后,也许阿凡达里的场景会成真。而残疾或瘫痪的人,也能通过“脑—机”接口技术重新获得运动或照顾自己的能力。

  猴子是如何控制机械手的?

  郑筱祥教授说,大脑内充满了神经元和液体,上千亿个神经元之间通过发出微小的电脉冲(也可称为脑电波)相互交流,控制生物的各种运动,大到行走跑步,小到抬抬眉毛。不过一直以来,这些脑电波就像“天书”一样难懂。

  上世纪90年代,计算机技术迅速发展,人类对脑电波的研究有突破。“脑—机”接口技术迅速成为全球最热门研究领域之一。它主要研究在大脑和外部设备(例如假肢)之间建立一条传输脑电波的通道,这样人即使神经通路损坏,大脑信号也能通过外部设备达到身体各处,控制运动,不会瘫痪。

  “脑—机”接口技术研究,浙大已经进行了5年。

  前期是在大鼠上做实验。浙大提供了一份以前的视频资料:工作人员在大鼠的脑中植入了控制左右转弯的芯片,这样就“制成”了一个大鼠机器人。在大鼠前进过程中,工作人员通过大鼠脑中的接收装置给它发指令,让它灵巧地左转或右转,绕过竖着的瓶子。最后在工作人员指令下,停在指定区域内。

  “建辉”这个项目,浙大做了很长时间准备。动物实验中心研究人员花半年时间训练猴子,让猴子能根据提示做出抓、勾、握、捏四种动作。

  另外还要给猴子动手术,由浙大医学院附属第二医院神经外科的朱君明副教授主刀,在“建辉”的大脑负责运动的皮层中植入两个芯片,与大脑中的200多个神经元相连。

  两个芯片通过电缆连接电脑。猴子在运动时,脑电波会有相应活动,计算机实时记录下它一举一动所发出的脑电波信号。在实验室电脑屏幕上,可以看到脑电波信号呈现出高低和频率不同的波浪图。研究人员对信号进行实时分析解读,最终掌握了“建辉”抓、勾、握、捏四种不同动作时脑电波的特征和规律等信息。

  这些基础工作准备好后,“建辉”大脑中的脑电波传到机械手上时,电脑控制的机械手就能依据之前收集的信息,根据猴子指令做出相应动作。

  “脑—机”接口技术可用到医疗上

  浙大研究团队的老师说,“脑—机”接口技术,将来能为残疾人康复提供帮助,恢复这些人的运动功能和感觉。假如一个人因车祸腰椎受伤,大脑的信号不能传送到下肢,人就不会走路了。“脑—机”接口技术让这个人不需要通过脊髓神经传递大脑信号,恢复下肢运动功能。

  比如一个人因工伤失去了一只手,专家可以给这个人装上一只精密的机械手,机械手直接由人的大脑直接控制,能像正常的人的手一样使用,甚至可以更厉害,可更强壮或更灵巧。远比现有的义肢好。

  再如一个人不幸失去了一只眼睛,科学家可以给这位患者装上一个机器眼珠,这个眼珠看到的影像通过“脑—机”接口技术直接传到大脑中,义眼也可以和真眼一样了。

  但是,要实现这些还有很长的过程。

  浙江大学求是高等研究院陈卫东副教授说,不仅是医疗领域,未来的人工智能技术、航空航天和国家安全领域,都用得上“脑—机”接口技术。这一技术能让人或生物和机器结合起来,实现更强大的功能;也能让我们对自己的大脑有更多了解。因为有巨大发展前景,现在各国科学家都在研究。

  浙江大学求是高等研究院成立于2006年10月,是浙江大学设立的独立科研机构。研究院是一个多学科交叉平台,计算机科学、生物医学、材料科学、临床医学等专业的研究人员共同合作,主要研究领域有“脑—机”接口,动物机器人,康复工程与无障碍技术。目前研究院与国外“脑—机”接口领域最顶尖的学校和科研机构建立了良好学术联系。

  郑筱祥教授说,“建辉”这个项目是浙大很多研究人员共同努力的结果。浙大这项成果达到了国际“脑—机”接口领域的最前沿水平,国内目前还没有学校实现这一技术。

  “我们研究团队的成员很多是年轻人”。郑老师风趣地说,“除了我老一点,团队里很多人不超过35岁。这些研究人员有的是浙大自己培养的,有的是从国外引进的人才”。

  郑教授介绍,全球“脑—机”接口技术研究是一步步来的,先是在老鼠身上做实验。具有里程碑意义的是2006年美国的布朗大学Donoghue教授的研究成果。他在人脑中植入了芯片,这样人脑可直接控制电脑的光标,再通过这台电脑控制别的设备。2006年,这位教授曾到浙大来做学术交流。

  美国的技术一直在发展。2008年,美国匹兹堡大学科学家宣布实现让猴子用意念(脑电波)控制机械手臂的运动。2011年10月,美国杜克大学宣布他们不仅能让猴子用意念控制虚拟的手掌,还能感受虚拟手掌触摸物体时的触觉。具体做法是用计算机做出虚拟的手和粗糙程度不一的物体,虚拟手在抚摸物体时,猴子的大脑能感受到物体的粗糙程度。

  郑老师说,浙大研究成果的特别之处在于捕捉到的是更加精细的手指的信号,复杂性和精密性要求比美国的手臂移动要高。“建辉”控制的机械手,是世界上最精密的机械手之一,由意大利圣安娜高等研究大学Carrozza教授的实验室制成。

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