明東：“腦語(yǔ)密碼”破譯者

弘揚(yáng)科學(xué)家精神·青稞力量

“如果把大腦信號(hào)的密碼比作密碼本，那將是一本厚厚的字典，我們現(xiàn)在能夠看到的，僅僅是這本字典第一頁(yè)的前幾行字，未來(lái)可以通過(guò)人機(jī)融合達(dá)到人體效能增強(qiáng)，機(jī)器可以成為我們身體密不可分的一部分。”

天津大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程首席教授明東就是這個(gè)破譯“大腦密碼”的人。他和團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)近20年技術(shù)攻關(guān)，終于實(shí)現(xiàn)了我國(guó)腦—機(jī)接口關(guān)鍵技術(shù)的突破。在獨(dú)立研發(fā)、自主可控的路上，明東團(tuán)隊(duì)走在創(chuàng)新的最前列，他們獨(dú)立研發(fā)的無(wú)創(chuàng)腦—機(jī)接口系統(tǒng)和腦—機(jī)交互芯片，保持著3項(xiàng)性能指標(biāo)最高的世界紀(jì)錄。

幫助病人，研究腦—機(jī)接口技術(shù)的初心

1994年，明東考進(jìn)天津大學(xué)精儀學(xué)院，選擇了當(dāng)時(shí)最熱門的生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)習(xí)。說(shuō)起從事腦—機(jī)接口研究，明東感慨地說(shuō)：“我在讀博期間，看到許多截癱患者后期康復(fù)治療非常困難，醫(yī)生也束手無(wú)策。當(dāng)時(shí)我就想，是不是能通過(guò)機(jī)器，幫助神經(jīng)損傷患者建立新的人工運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通路，使其重獲運(yùn)動(dòng)能力。”

最初的信念，讓明東博士畢業(yè)后，面對(duì)國(guó)外多所名校的錄取邀請(qǐng)時(shí)，毫不猶豫選擇留在母校當(dāng)一名教師和開(kāi)拓者，立志讓腦—機(jī)接口這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)擁有中國(guó)話語(yǔ)權(quán)。

“大腦在想象或執(zhí)行身體運(yùn)動(dòng)時(shí)都會(huì)伴生類似‘放電’行為，通過(guò)機(jī)器采集和讀取腦電信號(hào)，再破譯并傳輸這一信號(hào)，讓身體執(zhí)行，就可以為截癱患者建立新的人工運(yùn)動(dòng)神經(jīng)通路。”明東介紹說(shuō)，這個(gè)原理雖簡(jiǎn)單，實(shí)施起來(lái)并不容易。腦電信號(hào)微弱到百萬(wàn)甚至千萬(wàn)分之一伏，捕捉破譯腦電信號(hào)類似于在非常嘈雜的公共空間聽(tīng)清聽(tīng)懂一個(gè)人的低聲細(xì)語(yǔ)，還需要克服頭發(fā)、頭皮、顱骨等對(duì)信號(hào)的重重“阻擋”。

在一間不足20平方米的小房間里，明東的研究起步了。課題經(jīng)費(fèi)緊張，實(shí)驗(yàn)條件簡(jiǎn)陋，就連必需的實(shí)驗(yàn)儀器和科研設(shè)備都要四處去借。明東回憶說(shuō)，搞科研就是一個(gè)不斷試錯(cuò)的過(guò)程，既煎熬又焦慮，后面的一點(diǎn)小突破，往往都是積累到一定程度的必然。

2014年，“神工”系列人工神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)終于研制成功，在天津、山東多家三甲醫(yī)院進(jìn)行了上千例的康復(fù)測(cè)試。中風(fēng)偏癱患者在“神工”幫助下，可以“所思即所動(dòng)”，反復(fù)訓(xùn)練后起立行走、拿筆書(shū)寫，直至神經(jīng)細(xì)胞重塑，慢慢康復(fù)。

“神工”系列設(shè)備仍在不斷進(jìn)化，預(yù)計(jì)“腦語(yǔ)者”芯片應(yīng)用后，“神工”系列將如虎添翼，患者將不再需要依賴電腦就能實(shí)現(xiàn)康復(fù)功能。速度更快，功能更強(qiáng)，帶來(lái)更加高效的腦信息檢測(cè)方式，更加拓展的腦—機(jī)交互帶寬和解碼精準(zhǔn)性。

大顯身手，改變未來(lái)的勇氣沒(méi)有上限

實(shí)現(xiàn)了最初的夢(mèng)想后，明東在人腦神經(jīng)信號(hào)與外部機(jī)械之間連接領(lǐng)域，朝著更遠(yuǎn)的一個(gè)個(gè)目標(biāo)跋涉。2016年，天宮二號(hào)和神舟十一號(hào)載人飛行中，兩位航天員完成了一項(xiàng)頗具科幻色彩的前瞻性實(shí)驗(yàn)：人類歷史上首次太空腦—機(jī)交互。明東正是這套神奇的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)者。

“上天設(shè)備既要照顧到荷載限制，又要在太空全部完成主動(dòng)式、被動(dòng)式、反應(yīng)式3種主流范式的任務(wù)，系統(tǒng)要求重量小、性能高、更集約。”明東又考慮把功能更強(qiáng)大的腦—機(jī)編解碼集成芯片作為研究方向。

明東說(shuō)：“我未必能改變未來(lái)，但是至少要有改變未來(lái)的勇氣。”硬件、芯片、算法、傳感、編碼、優(yōu)化……一個(gè)個(gè)困難和瓶頸如影隨形，基于獨(dú)立研發(fā)和國(guó)產(chǎn)可控，很多實(shí)驗(yàn)儀器和技術(shù)集成都需要自己打造，越前進(jìn)越能發(fā)現(xiàn)一切都是全新的，無(wú)章可循，無(wú)矩可蹈。為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，唯有反復(fù)探索實(shí)踐。

終于，在2019第三屆世界智能大會(huì)上，“哪吒”橫空出世，技驚四座。它裝備了世界首款腦—機(jī)編解碼集成芯片——“腦語(yǔ)者”，能夠采用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)極微弱腦電特征進(jìn)行精細(xì)分辨與快速解碼，輸出一個(gè)指令僅需1.7秒，首次實(shí)現(xiàn)了一個(gè)108個(gè)字符的高速腦—機(jī)交互系統(tǒng)，也創(chuàng)造了目前頭皮腦電BCI在線控制最大指令集的世界紀(jì)錄。

目前，腦—機(jī)接口領(lǐng)域已經(jīng)成為世界各大科技強(qiáng)國(guó)的競(jìng)技場(chǎng)，技術(shù)發(fā)展迅猛，幾年內(nèi)腦—機(jī)交互性能就提升了10倍。說(shuō)到腦—機(jī)交互的明天，明東充滿激情地說(shuō)，從智能而來(lái)，到智能而去。未來(lái)不是人工智能取代人，而是通過(guò)互聯(lián)互通讓它成為人的一部分，毫無(wú)隔閡的人機(jī)混合是未來(lái)必然的歸宿。(陳 曦)

關(guān)鍵詞： 腦語(yǔ)者芯片