大數(shù)據(jù)文摘轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂

天津大學(xué)作為一所在國(guó)際上有較高影響力的高水平研究型大學(xué)，在科技創(chuàng)新的道路上從未停止腳步，數(shù)次打破國(guó)外技術(shù)壟斷、創(chuàng)造多個(gè)世界第一、中國(guó)第一，堅(jiān)持把“創(chuàng)新”這篇大文章寫在中國(guó)大地上。

近日，這所985高校又創(chuàng)了一個(gè)“中國(guó)首個(gè)”！天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院、天津腦科學(xué)與類腦研究中心、教育部智能醫(yī)學(xué)工程研究中心與燧世智能、中電云腦等單位合作，聯(lián)合推出我國(guó)首個(gè)腦機(jī)接口領(lǐng)域綜合性開源軟件平臺(tái)MetaBCI。天津大學(xué)再次彰顯了在該領(lǐng)域內(nèi)的實(shí)力和地位。

填補(bǔ)中國(guó)在腦機(jī)接口開源軟件平臺(tái)方面的空白

腦機(jī)接口技術(shù)（BCI，Brain-Computer Interface）意味在人機(jī)之間建立直接的中樞信息交互。當(dāng)前世界主要國(guó)家都將未來(lái)視為“腦科學(xué)時(shí)代”，將腦科學(xué)研究列入國(guó)家層面發(fā)展戰(zhàn)略。腦機(jī)接口領(lǐng)域作為腦科學(xué)的核心應(yīng)用區(qū)，正在掀起一場(chǎng)技術(shù)領(lǐng)域的顛覆式創(chuàng)新革命，將對(duì)健康醫(yī)療、電子消費(fèi)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生巨大影響。

目前腦機(jī)接口領(lǐng)域正處于產(chǎn)業(yè)快速形成期，優(yōu)秀的軟件平臺(tái)能夠?yàn)槿祟惔竽X與硬件設(shè)備之間架設(shè)一條“信息高速公路”，助力高質(zhì)量人機(jī)交互。而當(dāng)前國(guó)際主流的兩大腦機(jī)接口軟件平臺(tái)主要基于C++語(yǔ)言以及MATLAB商業(yè)軟件，分別存在編程要求高、開發(fā)周期長(zhǎng)，或收費(fèi)高昂、管制受限等諸多問(wèn)題，亟需一款高效實(shí)用的開源軟件平臺(tái)用于降低技術(shù)門檻、減少研發(fā)成本、縮短產(chǎn)品周期、促進(jìn)轉(zhuǎn)化落地。

天津大學(xué)牽頭組建的MetaBCI平臺(tái)基于國(guó)際通行開源語(yǔ)言Python編寫，操作簡(jiǎn)便且擴(kuò)展豐富，擁有廣闊的合作與應(yīng)用空間。MetaBCI的基本架構(gòu)包括范式呈現(xiàn)單元、數(shù)據(jù)獲取單元、信號(hào)處理單元、用戶反饋單元和機(jī)器執(zhí)行單元五大模塊，能夠在Python環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶大腦意圖的誘發(fā)、獲取、分析和轉(zhuǎn)換等全流程處理，目前已集成了14種腦機(jī)接口源數(shù)據(jù)集以及多類經(jīng)典腦機(jī)接口范式，涵蓋了幾十類先進(jìn)的腦機(jī)解碼算法以及專業(yè)化的智能計(jì)算模型，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了腦機(jī)解碼算法調(diào)用接口，開源后其數(shù)據(jù)集和算法種類將會(huì)得到進(jìn)一步拓展和提升。

2021年5月，MetaBCI的信號(hào)處理單元測(cè)試版提前在世界最大代碼網(wǎng)站上線發(fā)布，國(guó)內(nèi)外多家研究單位參與試用后均表示：該平臺(tái)提供了簡(jiǎn)潔高效的腦機(jī)數(shù)據(jù)集讀取接口和統(tǒng)一的信息預(yù)處理流程，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)讀取和處理的自動(dòng)化，同時(shí)保證了研究者自行修改其中關(guān)鍵步驟的靈活性。

據(jù)了解，此前天津大學(xué)聯(lián)合中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)共同發(fā)布了無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口專用計(jì)算和采集芯片“腦語(yǔ)者”C系列和D系列，自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)高性能腦電采集系統(tǒng)“神工-諦聽”也取得國(guó)家醫(yī)療器械注冊(cè)證，在核心硬件方面加快了創(chuàng)新發(fā)展的腳步，而MetaBCI推出則是中國(guó)在腦機(jī)接口底層基礎(chǔ)軟件通用平臺(tái)方向邁出的重要一步。

天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院副院長(zhǎng)、天津腦科學(xué)與類腦研究中心主任助理許敏鵬教授介紹說(shuō)，“我們希望MetaBCI能填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在腦機(jī)接口開源軟件平臺(tái)方面的空白，并聯(lián)合更多研究人員和從業(yè)者不斷豐富完善，將其發(fā)展成為國(guó)際通用的腦機(jī)接口開源軟件平臺(tái)，為先進(jìn)人機(jī)交互、元宇宙等新技術(shù)突破以及下一代腦機(jī)融合智能實(shí)現(xiàn)提供重要支撐?！?/span>

腦機(jī)接口—夢(mèng)想之光照進(jìn)現(xiàn)實(shí)生活

2020年2月《自然》雜志的“自然聚焦-中國(guó)腦科學(xué)”欄目，“聚焦中國(guó)腦科學(xué)”專題系列介紹了正在蓬勃發(fā)展的中國(guó)腦科學(xué)領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀、研究成果以及產(chǎn)業(yè)化情況，并刊登了如下內(nèi)容：

2016年中國(guó)啟動(dòng)天宮二號(hào)太空實(shí)驗(yàn)室時(shí)，其眾多目標(biāo)之一就是測(cè)試無(wú)創(chuàng)腦-機(jī)接口（BCI）技術(shù)對(duì)太空環(huán)境的適應(yīng)性。中國(guó)宇航員成功地完成了這項(xiàng)全球首次試驗(yàn)，為比較腦-機(jī)接口在地球和太空中的性能提供了重要基準(zhǔn)。而這項(xiàng)試驗(yàn)中所使用的腦-機(jī)接口系統(tǒng)是由天津腦科學(xué)與類腦研究中心（簡(jiǎn)稱：天津腦科學(xué)中心）的神經(jīng)工程團(tuán)隊(duì)開發(fā)的。

國(guó)際首次在軌腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)（圖片@央視網(wǎng)-CCTV4）

天津大學(xué)醫(yī)學(xué)工程與轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究院

全鍵盤108超大指令集操控平臺(tái)

在2016年，團(tuán)隊(duì)采用動(dòng)態(tài)停止策略，實(shí)現(xiàn)了迄今為止最高信息傳輸率的模擬在線BCI實(shí)驗(yàn)，支持自適應(yīng)收集足夠的腦電圖（EEG）信號(hào)以進(jìn)行精確測(cè)量。2018年，開發(fā)的判別典型模式匹配（Discriminative Canonical Pattern Matching）算法在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞微伏Event related Potential的高效解碼，從而將腦電信號(hào)的可識(shí)別精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。2019年，搭建高速BCI系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)全鍵盤108指令的操控，其指令集大小是傳統(tǒng)BCI系統(tǒng)的3倍左右。

微弱視覺(jué)刺激范式及其判別典型模式匹配

除了在航天領(lǐng)域拓展宇航員在太空環(huán)境中的操作能力以外，天津腦科學(xué)中心團(tuán)隊(duì)開發(fā)的BCI技術(shù)也被用于腦卒中患者的康復(fù)治療。相較于傳統(tǒng)的方法只能提供有限的輔助，團(tuán)隊(duì)將BCI技術(shù)和功能性電刺激技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了全肢體中風(fēng)康復(fù)訓(xùn)練的人工神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人的主觀運(yùn)動(dòng)意圖引起的皮層和肌肉活動(dòng)，顯著改善患側(cè)肢體的神經(jīng)控制能力。現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一系列神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)在多家醫(yī)院取得成功的臨床應(yīng)用。

“神工一號(hào)”人工神經(jīng)康復(fù)機(jī)器人

腦機(jī)交互將極大機(jī)率成為最佳交互方式

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)越來(lái)越多的省份正在進(jìn)入深度老齡化社會(huì)。隨著全球老齡化的到來(lái)，腦卒中、阿爾茨海默綜合癥、帕金森綜合癥等疾病日益成為人類的健康負(fù)擔(dān)。

對(duì)于日益龐大的老年群體來(lái)說(shuō)，腦機(jī)交互將極大機(jī)率成為最佳交互方式。一是因?yàn)楫?dāng)下普遍的圖形界面交互是需要習(xí)得的，對(duì)老年人而言是具有一定難度的；二是因?yàn)槔夏耆巳褐?，無(wú)法自理的比例更高，說(shuō)話和做手勢(shì)對(duì)于他們而言也是十分困難的事情。

通過(guò)腦機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)老年患者和輔助設(shè)備的聯(lián)結(jié)及操控，幫助老年患者進(jìn)行力所能及的事情甚至實(shí)現(xiàn)自理，也可以針對(duì)中風(fēng)、癲癇、帕金森等疾病患者做對(duì)應(yīng)的恢復(fù)訓(xùn)練，進(jìn)而減輕老年和子女群體的生活負(fù)擔(dān)和心理壓力。同時(shí)還可以將養(yǎng)老服務(wù)與智能家居領(lǐng)域相聯(lián)動(dòng)，從而為老年群體提供更舒適的居家養(yǎng)老環(huán)境。

在未來(lái)，隨著腦機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不僅可以促進(jìn)老年群體對(duì)設(shè)備的操縱和使用，疾病的康復(fù)與治療，也可以促進(jìn)老年群體和子女群體更多的交流，排解老年人心底的孤單與寂寞。

毋庸置疑，腦科學(xué)未來(lái)會(huì)是生命科學(xué)發(fā)展中重要的一個(gè)領(lǐng)域。隨著更多人關(guān)注到這個(gè)領(lǐng)域，我們可以期待更多的人才、資金將會(huì)進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，在良好的政策支持下，推進(jìn)腦科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展，為我們帶來(lái)更多令人振奮的科技突破和實(shí)用產(chǎn)品。