「腦機接口禮服」長啥樣？1024 個獨立電極，機器學(xué)習(xí)與定制芯片加持

本文作者：付靜

2020-10-14 17:35

導(dǎo)語：藝術(shù)創(chuàng)作、能量采集與機器學(xué)習(xí)的美妙結(jié)合。

在被譽為是賽博朋克史詩的《攻殼機動隊》中，全身“義體化”的公安 9 課隊長草薙素子的形象令人難忘，電影中對于腦機接口技術(shù)與人類自我意識核心“Ghost”之間關(guān)系的探討也讓我們無限回味。

回歸現(xiàn)實，在「宇宙網(wǎng)紅」Elon Musk 的大力推廣下，我們對腦機接口技術(shù)也不再陌生。

對于非植入式腦機接口而言，頭戴電極可檢測大腦信號，收集分析數(shù)據(jù)，發(fā)出相應(yīng)指令，控制外部設(shè)備。

「腦機接口禮服」長啥樣？1024 個獨立電極，機器學(xué)習(xí)與定制芯片加持

那么，如此硬核的裝置只能擺在實驗室里嗎？并不！

來自奧地利約翰內(nèi)斯·開普勒大學(xué)林茨分校的研究人員，聯(lián)合醫(yī)療工程公司 G.tec 研發(fā)人員及時尚設(shè)計師 Anouk Wipprecht 就設(shè)計了一套特別的腦機接口裝置——與其說是裝置，不如說是禮服。

「腦機接口禮服」長啥樣？1024 個獨立電極，機器學(xué)習(xí)與定制芯片加持

這套「禮服」有個直男但又形象的名字：Pangolin dress（翻譯過來是“穿山甲連衣裙”）。

前不久，Pangolin dress 曾在奧地利電子藝術(shù)節(jié)（Ars Electronica Festival）上亮相。在素來密切關(guān)注藝術(shù)、科技和社會三者相互聯(lián)系的奧地利電子藝術(shù)節(jié)上，這一設(shè)計堪稱是藝術(shù)、能量采集與機器學(xué)習(xí)的一次美妙結(jié)合。

藝術(shù)與科技美妙結(jié)合

那么，既是藝術(shù)展品，又涵蓋尖端科技，Pangolin dress 具體有哪些特別之處呢？

1024 個獨立電極

據(jù) IEEE 報道，Pangolin dress 共包含 1024 個獨立的頭戴電極（共 64 組，每組 16 個），可探測到大腦的電信號。收集到信號之后，所獲取的數(shù)據(jù)將被組合、分析、轉(zhuǎn)換。

比如說，當(dāng)佩戴者決定主動移動一塊肌肉時，這一動作會在大腦運動皮層中觸發(fā)一種「局部活動模式」，這種模式是能被檢測和識別到的。

G.tec 公司聯(lián)合創(chuàng)始人 Christoph Guger 表示：

通過 1024 個獨立電極通道，我們甚至可以獲得單個手指的分辨率。這是非植入式腦機接口設(shè)備的電極通常無法做到的。

原因就在于，一般情況下腦機接口僅僅有 64 個電極通道，只能用來區(qū)分運動區(qū)域——例如，身體剛剛作出的動作是由左臂還是右臂完成。

機器學(xué)習(xí)識別身體動作

實際上，由于每個佩戴者的大腦存在差異，要想準(zhǔn)確識別細(xì)節(jié)，還需對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

為此，研究團隊的設(shè)計是：通過機器學(xué)習(xí)識別與不同動作相關(guān)的模式。

簡單來講，系統(tǒng)實際上并不要求佩戴者移動任何特定的肌肉，佩戴者只需想象執(zhí)行一個動作。

背后的邏輯是，大腦想象一個動作往往比實際執(zhí)行更花時間，產(chǎn)生的信號也更持久，所以機器學(xué)習(xí)起來就更容易。

可以說，這種技術(shù)完全適用于癱瘓患者。在此基礎(chǔ)之上，Christoph Guger 甚至有個想法：未來可以設(shè)計一種用腦機接口控制的外骨骼裝置，造福癱瘓群體。

神經(jīng)活動可視化

數(shù)據(jù)一經(jīng)組合、分析、轉(zhuǎn)換，Pangolin dress 就會出現(xiàn)顏色變換。也就是說，穿上 Pangolin dress 后，大腦神經(jīng)活動將在身體上以可視化的方式呈現(xiàn)。

令人眼前一亮的是，Pangolin dress 還可以通過不同顏色反映佩戴者所處的精神狀態(tài)，比如緊張（白色）、平靜（藍(lán)色）、沉思（紫色）等等。可見，這已經(jīng)不僅僅是意念控制設(shè)備了，更像是設(shè)備反映意念。

而這種設(shè)計的背后正是包含了 32 個 Neopixel LED 的陣列和 32 個伺服驅(qū)動秤（servo-driven scales）。

「腦機接口禮服」長啥樣？1024 個獨立電極，機器學(xué)習(xí)與定制芯片加持

單通道定制芯片

值得關(guān)注的是，研究人員設(shè)計了連接到每個電極的定制芯片——按 IEEE 的話說，這是最主要的技術(shù)進(jìn)步。

具體而言，這種定制芯片為單通道芯片，側(cè)面尺寸 1.6 毫米，集成了一個放大器、一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個數(shù)字信號處理器，功耗小于 5 毫瓦。

由于功耗小，這種芯片可通過附近的基站，以非接觸式射頻識別芯片的方式驅(qū)動，并以無線方式返回數(shù)據(jù)。據(jù)介紹：

通過無線方式給供電芯片并與之通信，穿戴者不再被拴在以往的有線測試系統(tǒng)上，這種設(shè)計還可減少傳統(tǒng)無線系統(tǒng)中電池的體積和重量。

即便設(shè)計了定制芯片，團隊也沒有一味追求奇異的制造技術(shù)。Pangolin dress 項目負(fù)責(zé)人、奧地利約翰內(nèi)斯·開普勒大學(xué)林茨分校團隊的 Thomas Faseth 解釋道：

我們的原則是控制技術(shù)成本，團隊所使用的是 180 納米制造技術(shù)，但我們還通過一些先進(jìn)的電路設(shè)計技巧實現(xiàn)了更高的性能。

值得一提的是，Pangolin dress 中，每組電極和芯片都被安裝在一塊瓷磚上。從下圖可以看出，穿戴者的頭部完全被瓷磚覆蓋，各個連接了天線。

「腦機接口禮服」長啥樣？1024 個獨立電極，機器學(xué)習(xí)與定制芯片加持

這件「穿山甲連衣裙」有著模塊化的設(shè)計，其靈感正是來源于穿山甲富有光澤的角蛋白鱗片——它結(jié)合了剛性和織物元素，其中剛性元素采用的是選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（selective laser sintering），9 個環(huán)環(huán)相扣的部分通過 3D 打印完成。