全球首个群组脑机接口系统发布，最多可支持20人实时脑电交流|

2021年9月10-13日，2021年世界机器人大会（WRC）将在北京召开。

世界机器人大会自2015年成立以来，已成功举办了五届。会议以“分享新成果，聚焦新动能”为主题，展示全球各领域先进技术和科研成果，旨在促进国内外学术交流，挖掘合作潜力，促进机器人技术、产品和市场的发展。

本次大会上，清华大学医学院生物医学工程系高晓荣教授重点介绍了BCI脑控机器人大赛。

高晓荣教授多年来一直专注于脑机接口技术（BCI）、神经信号检测与处理的理论与方法，并以此技术为基础，研究与生物神经系统信息相关的脑功能分析方法。

左为高晓荣教授，右为陈晓刚研究员

BCI技术是神经科学、神经工程、药学和康复研究的热门话题。同时，也是近年来人工智能领域最前沿的发展方向。目前，我们正处于人机时代。从最简单的人机交互、人机协作到人机共存共存，脑机接口前沿研究已成为机器人智能的关键节点。

但谈及脑机接口的市场应用，高教授仍持谨慎态度。他表示，教育和行业对脑机接口的需求并不是刚需，真正的刚需在医疗行业。

同时，高晓荣教授还补充说，要平衡好脑机接口研究的目标、实践能力和手段，不能让它发展得太快。当人们匆忙进行研究时，他们忽略了伦理问题的重要性。同时，脑机接口的发展是一个综合性的工程，涉及各个学科的协调发展，没有其他学科的进步是有限的。

在本届世界机器人大会上，雷锋网参加了对高晓荣教授和陈晓刚研究员的集体采访。以下为对话实录。

Q：首先，请您谈谈什么是脑机接口，它的发展历史和主要应用？

高晓荣：脑机接口（BCI）现在是一个热词。它直接从大脑中提取信号来控制外部设备，也是一种人机界面。鼠标和键盘等传统的人机界面需要手部肌肉控制。目前的语音输入也调用了五种感官，但脑机接口跳过了所有这些，没有周围神经的参与，而外围是由大脑信号直接控制的。

随着 1970 年代微型计算机的出现，一位教授提出了脑机接口技术，“计算机可以被 EEG 控制吗”。自从脑机接口第一次被命名以来，脑机接口一直没有取得太大的成就，直到 2000 年左右被其他科学家重新发明。

事实上，第一次脑机接口国际会议就是在本世纪初召开的。当时，世界上许多国家都提出了很多词来命名它们。像“你想做什么”这样的字有十七八个。最后，BCI 这个词是公认的。到目前为止，所有涉及脑神经和外周的研究都被称为“BCI”。脑机接口。

当 BCI 首次出现时，它首先是一个医疗驱动程序。

我们希望帮助有运动障碍的人，例如霍金控制外围设备。清华大学也从1997年开始研究脑机接口，当时个人电脑已经普及。我们想，如果一个人不会使用键盘和鼠标，他将如何使用计算机？我们想到了脑机接口技术，然后就开始了这项研究。

五年前，AI热火了起来，第二个驱动力出现了，也就是AI的驱动力。

其中，核心倡导者是马斯克、扎克伯格等人，他们认为人工智能大规模发展后会出现多智能体社会。原本的智能体只是一个人。现在人工智能可以比人类更聪明。我们如何与计算机通信？如果我们用键盘和鼠标与电脑交流的速度太慢，即使是文字，我们是不是直接从大脑中获取信号——“做你想做的事”？

马斯克做的最有影响力的案例是猪，最近猴子也可以用脑机接口玩游戏。国内也有几个代表性案例：浙江大学将脑机接口直接植入人体，霍金这样的残疾人可以控制机械臂打麻将；天津大学把脑机接口放在空间站上，航天人也可以做脑机接口。但从研究的角度来看，脑机接口仍然是一个基础的东西。

从技术上讲，它涉及脑机接口芯片，从大脑中提取神经信号的芯片；还有一整套分析软件。

十多年前，软件研究很多，清华做的是软件。但近一两年，尤其是美国对脑机接口实施出口管制后，很多中国企业开始做芯片。本次大会展出了两款脑机接口芯片，均与国外同级别，性能相同，可替代国外芯片。

除了芯片，就是系统。国内大概有几个：博瑞康和江苏极萃，分别在医疗和消费领域。

有了系统之后，还需要市场应用，大致分为三大部分：

首先是医疗。如何解决患者的问题，以及如何将其应用于无法使用鼠标和键盘或说话的人。

我们原有的医疗主要是针对行动不便、意外伤害、以及各种因衰老引起的运动障碍的残疾人。我们的方法是外围控制。一些外围设备是由大脑直接控制的。例如，轮椅不需要自己手动控制。它是通过大脑的指令直接发送的。它可以直接控制轮椅移动，也可以控制一些外骨骼行走，进而融入社会。.

在情绪脑机接口中，我们也在尝试解码大脑的情绪。通过脑机接口的手段，我们可以在人们心情不好时播放相应的音乐，调节患者的精神状态，形成循环。目前，我们在辅助运动控制方面还做的比较多。未来，应该在精神环节进一步应用。

我们在临床应用的时候也会发现，其实很多患者的动作和语言表达都会受到限制，要知道这个人的认知状态是否受到影响。然而，原有的测量方法难以适用于许多患者。例如，很多量表都是通过人们的反应来判断单位时间内能正确写出多少单词。

因为很多传统量表都是以健康人为基础，从大量样本中获取数据，所以运动障碍的人颤抖得根本不会写字，所以我们绕过大脑中的末梢神经直接进行评估。目前临床上可以采用脑机接口的方法来评估患者的认知状态，认知状态达到了何种程度，进而调整状态。

第二部分是教育。如果孩子在学习过程中出现注意力和认知功能上的缺陷，可以通过脑机接口来弥补。根据孩子在课堂上的注意力给予反馈，或者从家人的反馈中了解孩子是因为没听课没学，还是没听懂没学。这是两个大问题。如果你不理解，不学习它，这是一个逻辑问题。如果你不听课不学，那就是另一个问题了。

第三个区块与行业相关，即行业4.0等，其实涉及的核心问题是安全。最容易理解的例子是自动驾驶。您的汽车可以自动驾驶，也可以由人类驾驶。当人们开车和自动驾驶发生时，就会出现协调问题。

如果有脑机接口可以轻松搞定，比如注意力不集中、嗜睡、酗酒等，车辆检测不适合人类驾驶，那么车辆可以自动驾驶，或者自动停在旁边道路还可以防止事故。比如打电话时，车辆发现不能继续行驶时可以停车；如果一个人突然心脏不好，车辆也可以自动切换。

当然，教育和产业不只是需要，真正需要的是医疗。

Q：目前脑机接口研究的方向是什么？需要解决哪些技术问题？

高晓荣：脑机接口研究有几种方法：一种是有创的，即在大脑中放置电极，另一种是无创的，即在头皮上放置电极。

侵入式方法有更多的信息，但人们可能无法接收到。人们很难接受正确插入大脑的电极。然后使用非侵入性方法在头皮上植入电极。这就像将麦克风放置在房屋内外之间的缝隙中。当你把它放在屋外时，信号要弱得多。屋外，你能听到屋里响亮的声音，或者有人在笑脑机接口最新进展，但你可以知道屋里在笑什么。

马斯克的研究都是侵入性的方法。实际上很难将电极放入颅神经，因为脑组织是人体最柔软的组织，体液除外，即脑组织。我们监控的硅是最难的。当最柔软的东西和最坚硬的东西放在一起时，工作环境就会出现问题。而且，人还需要动，跳啊跳啊，心血会波动，那么软硬的损失有多大呢？难度还是很大的，就是体力难度。

第二个困难是生物学上的困难。即使你放入的东西是柔软的，它对人体也是有毒的。

第三个难点是信息。人脑有1000亿个神经元，每个神经元都在工作。根据通信速率的比特率，这是每秒1TB。如果你对我的语言进行采样，100 位可以将我的语言传输给你，当你在耳朵里听到 100 位时，它会被重新解释为 1TB，这就是基于语言的压缩能力。但是 100 位与计算机相比仍然不够，所以这是一件非常困难的事情。

为什么我们需要学习这么难的东西？为什么根本不做，等AI去做呢？其实，AI只能解决事实的问题，也就是这个东西是什么，但解决不了价值的问题。我指的是广义的社会价值。

例如，如果这是一瓶水，AI 可以立即识别，但 AI 不知道这瓶水的价值，因为价值与环境有关。现在水在这里是一种价值，在沙漠中是另一种价值，当人类缺水，整个水资源都枯竭时，又是另一种价值。

所有这些价值问题只能由人类来判断。机器可以判断它们，我们不能强加它们；同一件事，不同的人看到不同的价值观。比如鲁迅讲了人血包子的故事。杀人肯定有问题，但别人认为有价值。

我们假设人工智能无限发展，并且越来越大。我们如何维护人的尊严？弹出一个对话框让你选择是和否。如果对话框一直弹出，人们整天点击是和否就会出错，而且还很烦人。为什么要问我这么简单的事情？但如果AI为你做，你可能不会做。

如果我们想要维护人类的尊严，就必须让机器了解我们的价值，也就是去做我们不想做的事情。脑机接口最重要的是人机交互工具，我们永远不会容忍人工智能取代人类。人们对人工智能的要求是共存与发展，我们必须主导。

Q：未来几年脑机接口的目标是否有规划？你想达到什么样的应用效率？

高晓荣：现在可以实施的第一件事就是医疗。医疗可以解释清楚。在这个过程中，可能会沿途产卵，发展医疗技术，还可以做一些认知和决策的事情，这些都需要一步一步来做。

除了教育和安全之外，其他应用程序也有道德限制。例如，有一个脑机接口，可以提高治理水平。这些不使用脑机接口的人呢？但是医学上没有伦理关系。

任何发展都必然受到伦理的限制，但这项技术是未来不可缺少的技术，未来必须有脑机接口，才能实现人机双重优势。

脑机接口是一个涉及物理学、神经认知科学和信息科学的广泛领域，这些学科的人们需要进行交流。当我们克服了所有这些困难，包括物理问题、生物问题、信息问题，我们就会逐渐找到应用渠道。

我们的主要交流对象是医务人员，与天坛医院、宣武门医院、长征医院、协和医院有合作研究。

Q：马斯克说的脑机接口还是比较先进的。在谈到未来有可能将脑机接口连接到正常人，进入“超人时代”时，您之前说过，您对记忆写入和记忆增强更加谨慎。态度，还是一样吗？

高晓荣：是的，我还是持这个观点，因为脑机接口确实是一个非常广泛的东西。危险在于，当芯片进入人脑时，你不知道自己会得到什么，但你知道自己会失去什么。想象一下，脑组织的运动就像海浪。如果你多次摇晃一个尖锐的物体，它会伤害不同的人，还是人们可以接受这种伤害？

因此，脑机访问必须首先符合伦理。马斯克研究完之后，还得先做医疗应用。不可能说，为了让人玩游戏，他脑子里就有了界面。

Q：随着中国进入长寿时代，您的研究方向和研究模式会发生变化吗？

高晓荣：脑机接口是老年人非常关心的问题。比如，如果你有视力障碍，你可以用脑机接口来帮助提示一些东西，所以老年也是一个医学问题。

Q：这是您第一次参加世界机器人大会。你感觉如何？会议是否促进了您的领域？

高晓荣：我们从机器人大会开始就开始合作。中国脑机接口的发展始于1997年，2010年得到了科学界的认可。当时大家都发表了科学论文，主要是论文，基金会委员会问我们一个问题：我们收到了很多，很多资助申请，但是脑机接口是一个很新的领域，不知道谁好。谁不好，你们能从应用的角度评价一下吗？

2010年我们举办了首届中国脑机接口大赛。基金会委员会已经申请了基金会委员会的所有项目，我们向所有申请者发出了邀请。我们有打字任务，我们有汽车控制任务，等等。第一个脑机接口的黑马是李元庆教授。他一回到中国就听到了这个故事。他穿着短袖来到北京，却不知道中国的温差如此之大。

那是2015年，我们举办了第一届和第二届脑机接口比赛。在比赛中，我们可以看到谁是第一名，谁是第二名。最后，很多材料都给了基金。委员会，这有助于他们选择主题。

2017年世界机器人大会上，有一个脑机接口项目。我们在世界机器人大会的平台上举办了一场技能大赛，我们也想回答有多少人适合做脑机接口，多少人适合做脑机接口。. 那时，我们所有的学生和年轻人都做了脑机接口。没有人知道有多少人可以使用它。就像我们造车能开多少人一样，我们是不是要办一所驾校？我们做了一个技能比赛，相当于脑机接口的奥运会。每个人都可以注册并随时来。

在 2018 年世界机器人大会上，我们获得了世界上最大的样本人群。以前是几十人，现在是几百甚至几千人。

2019年，技术赛和技能赛合二为一，技术赛创造最好的赛车，技能赛找到最好的赛车手。所以那一年就有了脑机接口的世界纪录，看看最好的人用脑机接口能跑多快，用脑机接口打字比用键盘快。2020年因为疫情，我们只举办了一场技术比赛。今年有技术比赛和技能比赛。这是第五届中国脑机接口大赛。

2017-2018年我们做了成人比赛，2019年有青少年比赛。这取决于孩子是否会使用脑机接口。今年，我们为 100 位 60 岁以上的老年人举办了比赛。新技术只能给年轻人用，找一两个老人也解释不了问题。他们中年龄最大的已经八十一岁了。

今年，我们（高先生创意设计，北优团队开发实施）在大会上推出了全球首个群脑机接口系统。我们称之为“神超系统”，最多支持20人进行实时脑机通信。20人的群聊环境，相当于一个班级的一个教室。每个人都可以在不说话的情况下交换知识，或者知道谁在听谁不是在听。

我们的脑机接口从2017年就得到了中国电子学会和世界机器人大会的支持，其实芯片比赛是按照赛制直播的。这个比赛很公平——同样的问题，不同的人去做，结果马上就出来了。脑机接口就是这个特点，结果是实时的。所以，基金会委员会说，以前的比赛投诉很多，没有人投诉你做的比赛，因为大屏幕就在前面，我们在看，别人在看，结果是真实的——时间。

Q：你们课题组这两年的主要成果是什么？

高晓荣：我们约占中国在脑机接口领域贡献的三分之一，包括论文数量和对世界的贡献。不过，与美国相比，我国的脑机接口投入是十个甚至不到一个。

脑机接口一共提出了十几种范式，现在公认的只有三种范式：

SSVEP是一种，虚动是一种，P300定位是一种，这三种范式中最快的脑机接口就是SSVEP。今年我们发表了一篇很重要的文章，就是总结脑机接口的发展路径，提出I3模型。

BCI的I实际上是三个I：第一个I是Interface接口，是单向的；第二个I是Interaction交互，是双向的东西；第三个我是智力。

最终，脑机接口必须按照这三种模式进化，最终才能达到脑机智能的水平，即大脑的智能和机器的智能合二为一。这是我的老师、原清华大学脑机接口研究主任高尚凯教授提出的。

最近还有一个贡献。原来，我们的脑机接口控制从6个目标开始，到12个目标，再到40个目标。今年，已经出现了160个进球。我们现在是群多人脑机接口，在这方面我们也有所贡献。今年有一个青年作文比赛来展示结果。

问：你刚才提到的技术目前的应用是什么？

高晓荣：我们在天坛医院有控制机械手等应用。“挑战是不可能的”。有一位中国ALS患者。我们在临床实践中发现这个病人可以用脑机接口打字，后来还参加了董卿的《挑战不可能》节目，和董卿一起朗诵了一首诗。男人无语，呼吸机插管了，但他的大脑很好。

问：从全球范围看，脑科学和认知学科有哪些突破？

高晓荣：脑机接口和认知科学其实是并行发展的。脑机接口相当于为大脑打开了一扇窗，有助于神经科学的发展。神经科学的新研究成果反过来又促进了脑机接口的发展。应用，两者不是串联的，而是并行发展的，不是大脑开发的，我们就开发脑机接口。有了情绪化的脑机接口脑机接口最新进展，我们不知道自己的情绪是怎么回事，当我们发现自己的情绪是好是坏时，我们可以进行调整。

问：我们谈到了脑机接口方面的一些挑战。对于研究人员和技术人员来说，如何处理现实中的一些问题？

高晓荣：我们要平衡好我们的目标、实践能力和手段。我们不能做得太快。当我们看到它时，每个人都会争先恐后地研究它，并消除所有道德限制。万一出了什么事，就很麻烦了。这必须是综合性的，涉及各个学科的协调发展，其他学科的进步不足也是有限的。

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