《黑客帝國》中，主人公通過腦機(jī)接口與矩陣系統(tǒng)連接，穿梭于現(xiàn)實(shí)與虛擬世界；《攻殼機(jī)動隊(duì)》中，腦機(jī)接口成為人與機(jī)器重要的連接橋梁……這些科幻場景都涉及一項(xiàng)前沿技術(shù)——腦機(jī)接口。

腦機(jī)接口早已不僅僅是科學(xué)幻想。人工智能以及柔性材料、生物傳感器等技術(shù)的發(fā)展，推動腦機(jī)接口技術(shù)走向?qū)嵱没?/p>

在英國《自然》雜志網(wǎng)站列舉的2025年值得關(guān)注的科學(xué)事件中，腦機(jī)接口位列其中。2025年新年伊始，在上海復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院，一名女患者腦中想著“新年快樂”，意念被電腦成功解碼并發(fā)出指令，操縱機(jī)械手做出比心的動作。

本期“瞰前沿”走近腦機(jī)接口最新進(jìn)展，了解其科學(xué)原理及實(shí)現(xiàn)路徑，探究它將如何影響人類的現(xiàn)在與未來。

——編 者

腦機(jī)接口被稱為人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的前沿技術(shù)，有望成為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、改善民生健康的未來產(chǎn)業(yè)。

意念打字、意念說話，腦機(jī)接口從科幻中走來

腦機(jī)接口是在人與外部設(shè)備間創(chuàng)建的信息連接通路，實(shí)現(xiàn)所謂的“意念”控制。具體來看，大腦在思維活動時(shí)，神經(jīng)元會放電形成腦電波，腦機(jī)接口則通過識別腦電波特征直接讀取大腦意圖，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器或外部環(huán)境之間的交互。

近年來，隨著生物醫(yī)學(xué)工程、神經(jīng)工程與康復(fù)工程、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與心理科學(xué)、人工智能等領(lǐng)域的發(fā)展，腦機(jī)接口工程化進(jìn)度加快，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展明顯提速。在2014年巴西世界杯揭幕戰(zhàn)上，截癱青年朱利亞諾·平托就在腦機(jī)接口技術(shù)的輔助下為足球比賽開球；2016年，在神舟十一號載人飛船飛行過程中，我國航天員完成了首次太空腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)；國際上多個(gè)團(tuán)隊(duì)通過腦機(jī)接口技術(shù)，幫助患者實(shí)現(xiàn)了“意念打字”“意念說話”等功能……

腦機(jī)接口的技術(shù)發(fā)展并非是爆發(fā)式的，而是日積月累、循序漸進(jìn)的。20世紀(jì)60年代，科學(xué)家開始研究腦電波與計(jì)算機(jī)的連接，通過記錄腦電圖、對腦電波信號進(jìn)行簡單分析，嘗試簡單地解讀腦電波，并實(shí)現(xiàn)其與外部設(shè)備的互動。這一時(shí)期，腦機(jī)接口技術(shù)尚不成熟。1973年，計(jì)算機(jī)科學(xué)教授雅克·維達(dá)爾首次在學(xué)術(shù)期刊上提出“腦機(jī)接口”的術(shù)語。20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和神經(jīng)科學(xué)的進(jìn)步，研究者實(shí)現(xiàn)了通過大腦控制外部設(shè)備的初步實(shí)驗(yàn)。1998年，科研人員成功實(shí)現(xiàn)了讓猴子通過腦電波控制機(jī)械臂的運(yùn)動。這一階段設(shè)備和接口仍較為笨重，信號解碼精度有限，但為后期改進(jìn)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。2000年，公認(rèn)的腦機(jī)接口概念被正式提出。如今，腦機(jī)接口已成為腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等領(lǐng)域最受矚目的研究方向之一。

多路徑齊頭并進(jìn)，相關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多元場景應(yīng)用

腦機(jī)接口的技術(shù)路徑主要包括侵入式和非侵入式。

侵入式腦機(jī)接口需通過手術(shù)等方式直接將電極植入到大腦皮層獲取神經(jīng)信號。此類腦機(jī)接口所獲取的信號空間分辨率好、信噪比高，但需通過外科手術(shù)植入體內(nèi)，安全性低、成本高，容易引發(fā)免疫反應(yīng)和愈合反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致所采信號衰退甚至消失。美國“神經(jīng)連接”公司的腦機(jī)接口技術(shù)就是典型的侵入式。2024年初，該公司創(chuàng)立者馬斯克宣布“神經(jīng)連接”植入的首個(gè)大腦芯片人類患者已經(jīng)完全康復(fù)。

國內(nèi)的侵入式腦機(jī)接口技術(shù)正在多個(gè)場景獲得應(yīng)用。在外部設(shè)備控制方面，浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了侵入式腦機(jī)接口控制機(jī)械臂書寫漢字。在醫(yī)療康復(fù)方面，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了可放置在大腦感覺運(yùn)動皮層上的無線、小侵入性腦機(jī)接口系統(tǒng)，幫助脊髓損傷的癱瘓患者恢復(fù)手部運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)控制光標(biāo)、操控輪椅、自主喝水等運(yùn)動。在語言解碼方面，華山醫(yī)院及其合作團(tuán)隊(duì)先后開展高精度實(shí)時(shí)運(yùn)動解碼和語言解碼臨床試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了“腦控”智能設(shè)備和“意念對話”。由此可見，侵入式腦機(jī)接口有望在醫(yī)療、科研等領(lǐng)域帶來更多突破。

非侵入式腦機(jī)接口通過直接貼附在頭皮上的電極采集神經(jīng)信號。其優(yōu)點(diǎn)是可以在頭皮上直接監(jiān)測到群體神經(jīng)元的放電活動，操作簡單、成本低、不用損傷機(jī)體，也不會引起免疫反應(yīng)。但由于顱骨對信號的衰減作用和對神經(jīng)元電磁波的分散和模糊作用，非侵入式腦機(jī)接口記錄到的信號空間分辨率低、幅值微弱且信噪比較低，對后續(xù)信號處理算法的性能要求較高。

近年來，我國無創(chuàng)腦機(jī)接口取得了顯著進(jìn)步，達(dá)到世界先進(jìn)水平。在基礎(chǔ)元器件領(lǐng)域，天津大學(xué)與中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)旗下中電云腦聯(lián)合研發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的全球首款腦機(jī)接口編解碼專用芯片“腦語者”。在神經(jīng)康復(fù)方面，“神工”腦機(jī)交互創(chuàng)新醫(yī)療器械全譜系產(chǎn)品問世，首創(chuàng)了“腦—機(jī)—體”協(xié)同的神經(jīng)功能重建思路，實(shí)現(xiàn)了主動訓(xùn)練對皮層、肌肉活動的同步整合與協(xié)同，取得了運(yùn)動康復(fù)領(lǐng)域的重大突破。在載人航天等特種應(yīng)用方面，六代中國空間站在軌腦電測試項(xiàng)目圍繞腦力負(fù)荷、腦力疲勞、警覺度等，開發(fā)了具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的空間站腦功能評估與調(diào)節(jié)技術(shù)，成功完成首個(gè)階段性目標(biāo)任務(wù)。在消費(fèi)級腦機(jī)融合產(chǎn)品研發(fā)方面，我國首個(gè)腦機(jī)接口領(lǐng)域綜合性開源軟件平臺MetaBCI發(fā)布，搭建起橫跨醫(yī)療、教育、娛樂、國防、交通等領(lǐng)域的智能生態(tài)產(chǎn)業(yè)平臺。非侵入式腦機(jī)接口因其安全、無創(chuàng)的優(yōu)勢，受眾人群更廣、應(yīng)用潛力更大，有望在醫(yī)療、科研、工業(yè)、教育、娛樂、國防等領(lǐng)域顛覆人類現(xiàn)有的生活生產(chǎn)方式。

值得注意的是，片上腦機(jī)接口，即在電極芯片上培養(yǎng)出來的類腦組織，為腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展提供了新思路。腦機(jī)交互與人機(jī)共融海河實(shí)驗(yàn)室在人體外創(chuàng)造了一個(gè)有生物智能的“類腦器官”，實(shí)現(xiàn)了培養(yǎng)“大腦”對目標(biāo)的視覺感知以及對機(jī)器人避障、跟蹤、抓握等任務(wù)的無人控制，完成了多種類腦計(jì)算的啟發(fā)工作。作為腦機(jī)接口領(lǐng)域的一個(gè)新興分支，片上腦機(jī)接口對于探索新一代生命體—非生命體融合交互，在混合智能、類腦智能、醫(yī)療康復(fù)等國家重大需求領(lǐng)域新應(yīng)用方面具有重要意義。

做“真有用、有大用”的腦機(jī)接口

腦機(jī)接口融合了醫(yī)學(xué)、計(jì)算機(jī)、電子、機(jī)械、材料等多個(gè)學(xué)科的先進(jìn)理論與前沿技術(shù)。在這樣相對較長的技術(shù)鏈中，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)短板都會阻礙其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

我國腦機(jī)接口市場正在孕育發(fā)展中，受到了社會各界的廣泛關(guān)注。近年來，研究者致力于建立腦機(jī)自然交互模型，逐步實(shí)現(xiàn)意圖的自由表達(dá)。同時(shí)，腦機(jī)接口的應(yīng)用場景逐漸拓展到醫(yī)療、航天、智慧家居等多個(gè)領(lǐng)域，涌現(xiàn)了面向腦卒中康復(fù)的純意念控制人工神經(jīng)機(jī)器人，以及太空腦機(jī)接口系統(tǒng)、腦控拼寫器等一系列成果。未來，研究人員將致力于建立腦機(jī)雙向讀寫系統(tǒng)，高效準(zhǔn)確地解讀更加復(fù)雜的大腦意圖，實(shí)現(xiàn)人機(jī)深度融合。

我們也要清晰地認(rèn)識到，目前我國腦機(jī)接口企業(yè)缺乏健全的技術(shù)鏈、完整的人才鏈，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)化能力較弱，從實(shí)驗(yàn)到日常實(shí)踐還有很長的路要走。

在我看來，各類侵入式技術(shù)存在倫理和安全風(fēng)險(xiǎn)，非侵入式腦機(jī)接口安全性高、受眾群大、產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，我國具備較好的技術(shù)積累，目前正處于新一代技術(shù)研發(fā)、加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的重要機(jī)遇期?，F(xiàn)階段，應(yīng)鼓勵(lì)核心技術(shù)攻關(guān)和共性關(guān)鍵問題研究，開展具有原創(chuàng)性和顛覆性的“無人區(qū)”前沿探索。

在研究方向選定上，應(yīng)以市場為導(dǎo)向驅(qū)動腦機(jī)接口科技成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化和新質(zhì)生產(chǎn)力生成，做“真有用、有大用”的腦機(jī)接口。圍繞重大工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化需求，按照非侵入式與侵入式兩條技術(shù)路徑系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)，齊頭并進(jìn)推動技術(shù)研究，推進(jìn)完善產(chǎn)業(yè)化、體系化發(fā)展途徑，推動我國在腦機(jī)接口領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)加速發(fā)展。

作為新興的技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)腦機(jī)接口市場中相關(guān)專業(yè)人才缺口非常大，導(dǎo)致小規(guī)模企業(yè)較難建立完整的人才鏈和技術(shù)鏈。這就需要引導(dǎo)高水平大學(xué)通過設(shè)置交叉學(xué)科等方式，培育高質(zhì)量復(fù)合型人才。同時(shí)，鼓勵(lì)校企共建高水平科研創(chuàng)新平臺，聯(lián)合承接腦機(jī)接口領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)任務(wù)，解決產(chǎn)業(yè)化落地難題，建立健全、健康的腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈。天津大學(xué)開設(shè)了全國首個(gè)腦機(jī)接口專業(yè)方向并正式招生。希望以此為契機(jī)，帶動腦機(jī)接口及相關(guān)行業(yè)盡快打通技術(shù)鏈、補(bǔ)全人才鏈，構(gòu)筑腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)鏈高質(zhì)量發(fā)展的可靠底座，提高腦機(jī)接口產(chǎn)業(yè)化能力。

腦機(jī)接口不僅將為醫(yī)療提供新的解決方案、改善人類生活質(zhì)量，也會對社會結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)模式等方面產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。隨著技術(shù)發(fā)展，腦機(jī)接口的應(yīng)用可能會徹底改變我們與外部世界的互動方式，進(jìn)一步模糊人類和機(jī)器之間的界限。然而，這也將伴隨著一系列復(fù)雜的倫理、隱私和社會問題。如何確保腦機(jī)接口的公平性、安全性與普遍性，如何平衡技術(shù)創(chuàng)新與潛在風(fēng)險(xiǎn)，將是人類社會面臨的共同課題。