//人腦連接電腦 意念化為行動

人腦連接電腦意念化為行動

文:葉浩男‧圖:何杰平,部分由受訪者提供‬

試想像安坐家中,單靠意念就能開關電視、調校燈光或在手機輸入文字,你想擁有這種「超能力」嗎?科學家數十年來開發連接人腦和電腦的系統(簡稱「腦機接口」)。澳門大學有研究團隊開發了多種腦機接口,並憑其研究成果在國際和全國性的腦控打字比賽上奪冠,更創下世界記錄。

萬峰教授(右)的研究團隊開發了多種用於腦控打字的算法

形式多樣的讀心術

澳大電機及電腦工程系、認知與腦科學研究中心副教授萬峰說,一些企業近年在美國和澳洲等地開展臨床試驗,將芯片植入大腦,在一定程度上識別用家想法,從而控制電腦或機械裝置,例如使殘疾人士能操控義肢。「這種方法雖然較為高效,但要在腦部動手術,有時甚至要在髗骨鑽洞植入芯片,風險甚高。」

因此,很多科學家研究毋須動手術就能使用的非入侵式腦機接口,例如裝有電極、能夠偵測腦電波的頭套。萬教授說:「以腦控打字為例,我們可在電腦熒幕顯示數個彩色方格,每格均有一個英文字母,並以特定的頻率重複閃爍。我們注視其中一個方格時,大腦會產生與方格閃爍相同頻率或倍數頻率的腦電活動,頭套只要偵測出相關的腦電訊息,即『穩態視覺誘發電位』,就能指令電腦輸出對應的字母。」

基於穩態視覺誘發電位的腦機接口的標準運作流程

腦控打字世界記錄

萬教授研究基於不同類型的腦機接口超過10年,不斷提出新的算法,加速人與電腦的連接,多項成果見於領域重要學術期刊。他還帶領學生與香港大學的研究人員合作參與大型賽事。在2019世界機器人大會腦控機器人大賽暨第三屆中國腦機接口比賽,澳大與港大組成兩支聯隊參賽,兩隊隊長均為澳大電機及電腦工程系學生。其中一支聯隊獲得技術賽綜合成績總冠軍及特等獎、「基於視覺誘發電位」和「運動想像」的腦機接口項目賽冠軍及一等獎,並且創下腦控打字最快的世界記錄,輸入一個英文字母平均只需0.4秒。

在2020年同一個賽事,澳大-港大聯隊在技術賽中蟬聯全場總冠軍及特等獎,同時獲得「基於事件誘發腦電」的腦機接口系統單項賽冠軍,並在技術錦標賽中的七個單項比賽中獲得四項第一。

結合人工智能與腦機接口

萬教授指出,近年來腦機接口性能雖然不斷提升,但有關技術仍不足以用作大規模的商業使用。「例如,一大挑戰是人腦之間差異可以很大,同一台裝備未必人人適用。即使只有一個用家,其腦部的狀態也會不時變化,因此裝置每次啟用前都要花不少時間『校準』,無法『即戴即用』。」

有見及此,萬教授團隊運用遷移學習方法,即利用以其他用家過往產生的數據訓練而成的深度學習模型,令裝置更快適應當前的用家。他們也在開發即時因應腦部變化而更改處理腦電波數據的方法,以及提出利用「神經反饋訓練」調控用家的腦活動,令他們使用腦機接口時更有效率。

左起:萬峰教授、王澤博士、黄志岷博士

此外,長時間透過顯示閃爍方格或類似方法來刺激腦部,難免令人視覺疲倦。萬教授率先關注到用家視覺疲倦的問題,他的團隊於是開發了一些算法,使裝置能按腦部狀態的轉變調整熒幕上的視覺刺激,減少用戶的視覺疲勞和精神負擔。

萬教授指出,使用基於「穩態視覺誘發電位」的腦機接口時,頭套上有多個電極偵測腦電波,電腦需要整合來自不同電極的訊號,期間需要以「空間濾波算法」來强化與「穩態視覺誘發電位」有關的腦電訊號。他的團隊因此提出了一個理論框架,用於系統地分析近年流行的近20類「空間過濾算法」,並以這個理論框架為基礎發展了三款新的算法,提升腦控打字的速度。

腦機接口技術影響深遠

萬教授相信,腦機接口將會對我們的生活和工作帶來翻天覆地的變化,令我們能夠有如在科幻電影般用意念處理不同事情。例如一些嚴重病患者和傷殘人士也能重拾自主生活的能力,甚至太空人也能借腦機接口更高效地執行複雜的任務。

萬教授的團隊正在加緊開發更高效、能夠「即戴即用」的腦機接口,及利用腦機接口的「寫心術」以改善增強腦功能,方向包括:可以自主控制的異步系統;跨協議、跨設備平台、跨用家及時間等的泛用技術;領域知識與深度學習結合的方法先進算法;運用神經反饋以治療腦疾病或提升學習能力等。「我們透過發展更好的腦機接口技術,以期實現人與機器的無縫結合及雙向閉環調控。」

第26期 | 2022年

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2022-11-22T11:28:43+08:0021 11 月, 2022|封面專題|