記者2月17日從天津大學(xué)獲悉，該校腦機海河實驗室和清華大學(xué)集成電路學(xué)院聯(lián)合，開發(fā)出一款基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件的“雙環(huán)路”無創(chuàng)演進腦機接口系統(tǒng)。同時，團隊還首次揭示了大腦電信號與解碼器在交互過程中如何進一步協(xié)同增強的奧秘，并成功實現(xiàn)了人腦對無人機的高效四自由度操控。相關(guān)成果刊發(fā)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·電子》上。
腦機接口能實現(xiàn)大腦與機器直接信息交流，促進生物智能與機器智能融合，被公認(rèn)是新一代人機交互和人機混合智能的核心技術(shù)。如何通過腦機之間的信息交互實現(xiàn)“互學(xué)習(xí)”，進而促進腦機智能的協(xié)同演進，是突破腦機性能瓶頸的重點和難點。“但目前腦機交互過程中大腦與機器的動態(tài)耦合機制尚未厘清，導(dǎo)致腦機之間的長時程互適應(yīng)能力較弱，工作性能隨時間下降嚴(yán)重。”天津大學(xué)腦機海河實驗室許敏鵬教授說。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，腦電信號中的非平穩(wěn)特性不僅來源于傳統(tǒng)觀點認(rèn)為的背景腦電變異，而且與閉環(huán)腦機交互引導(dǎo)下的任務(wù)腦電演變密切相關(guān)?；谶@一發(fā)現(xiàn)，團隊首次提出了“雙環(huán)路腦機協(xié)同演進框架”，并通過憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件構(gòu)建了全新的腦機接口系統(tǒng)。
在雙環(huán)路框架下，“機學(xué)習(xí)”環(huán)路中的憶阻器解碼器通過適應(yīng)腦電信號波動完成解碼參數(shù)更新，“腦學(xué)習(xí)”環(huán)路中的任務(wù)相關(guān)腦電特征在“決策-反饋”循環(huán)的引導(dǎo)下不斷正向演化。相關(guān)算法基于128kb規(guī)模的憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件實現(xiàn)了硬件化部署，將腦電信號的多步計算過程優(yōu)化為單步計算。
“相較于傳統(tǒng)純數(shù)字硬件方案，‘雙環(huán)路’腦機接口系統(tǒng)精度更高、能耗更低、能處理更復(fù)雜任務(wù)。像效率提高2個數(shù)量級（百倍）以上，能耗降低3個數(shù)量級（千分之一）以下。”許敏鵬舉例說，傳統(tǒng)無創(chuàng)腦機接口技術(shù)通常只能控制無人機進行簡單的二自由度飛行，研究團隊開發(fā)的“雙環(huán)路”腦機接口系統(tǒng)可高效支撐無人機完成上下、左右、前后、旋轉(zhuǎn)四自由度任務(wù)目標(biāo)。
在連續(xù)6小時的長時程腦機交互實驗中，大腦和解碼器的貢獻比例呈現(xiàn)動態(tài)變化，展現(xiàn)出了腦機協(xié)同演進的過程：初期以解碼器自適應(yīng)更新為主，隨著時間推移，大腦貢獻逐步增加，最終腦機接口性能不僅沒有下降，準(zhǔn)確率還提升了約20%。
許敏鵬表示：“這項研究首次提出了腦機協(xié)同演進的概念，并基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件完成了技術(shù)驗證，通過長時程大腦與憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件之間的信息交互，初步實現(xiàn)了生物智能與機器智能的互適應(yīng)、互學(xué)習(xí)，為未來實用型腦機接口系統(tǒng)提供了重要的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，也為腦機融合智能的發(fā)展開辟了新的方向。”他還透露，“未來，這款系統(tǒng)計劃拓展到更多便攜式或可穿戴腦機接口設(shè)備中，服務(wù)于消費級、醫(yī)療級等各類智能人機交互實用場景。”
記者2月17日從天津大學(xué)獲悉，該校腦機海河實驗室和清華大學(xué)集成電路學(xué)院聯(lián)合，開發(fā)出一款基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件的“雙環(huán)路”無創(chuàng)演進腦機接口系統(tǒng)。同時，團隊還首次揭示了大腦電信號與解碼器在交互過程中如何進一步協(xié)同增強的奧秘，并成功實現(xiàn)了人腦對無人機的高效四自由度操控。相關(guān)成果刊發(fā)在國際學(xué)術(shù)期刊《自然·電子》上。
腦機接口能實現(xiàn)大腦與機器直接信息交流，促進生物智能與機器智能融合，被公認(rèn)是新一代人機交互和人機混合智能的核心技術(shù)。如何通過腦機之間的信息交互實現(xiàn)“互學(xué)習(xí)”，進而促進腦機智能的協(xié)同演進，是突破腦機性能瓶頸的重點和難點。“但目前腦機交互過程中大腦與機器的動態(tài)耦合機制尚未厘清，導(dǎo)致腦機之間的長時程互適應(yīng)能力較弱，工作性能隨時間下降嚴(yán)重。”天津大學(xué)腦機海河實驗室許敏鵬教授說。
研究團隊發(fā)現(xiàn)，腦電信號中的非平穩(wěn)特性不僅來源于傳統(tǒng)觀點認(rèn)為的背景腦電變異，而且與閉環(huán)腦機交互引導(dǎo)下的任務(wù)腦電演變密切相關(guān)?；谶@一發(fā)現(xiàn)，團隊首次提出了“雙環(huán)路腦機協(xié)同演進框架”，并通過憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件構(gòu)建了全新的腦機接口系統(tǒng)。
在雙環(huán)路框架下，“機學(xué)習(xí)”環(huán)路中的憶阻器解碼器通過適應(yīng)腦電信號波動完成解碼參數(shù)更新，“腦學(xué)習(xí)”環(huán)路中的任務(wù)相關(guān)腦電特征在“決策-反饋”循環(huán)的引導(dǎo)下不斷正向演化。相關(guān)算法基于128kb規(guī)模的憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件實現(xiàn)了硬件化部署，將腦電信號的多步計算過程優(yōu)化為單步計算。
“相較于傳統(tǒng)純數(shù)字硬件方案，‘雙環(huán)路’腦機接口系統(tǒng)精度更高、能耗更低、能處理更復(fù)雜任務(wù)。像效率提高2個數(shù)量級（百倍）以上，能耗降低3個數(shù)量級（千分之一）以下。”許敏鵬舉例說，傳統(tǒng)無創(chuàng)腦機接口技術(shù)通常只能控制無人機進行簡單的二自由度飛行，研究團隊開發(fā)的“雙環(huán)路”腦機接口系統(tǒng)可高效支撐無人機完成上下、左右、前后、旋轉(zhuǎn)四自由度任務(wù)目標(biāo)。
在連續(xù)6小時的長時程腦機交互實驗中，大腦和解碼器的貢獻比例呈現(xiàn)動態(tài)變化，展現(xiàn)出了腦機協(xié)同演進的過程：初期以解碼器自適應(yīng)更新為主，隨著時間推移，大腦貢獻逐步增加，最終腦機接口性能不僅沒有下降，準(zhǔn)確率還提升了約20%。
許敏鵬表示：“這項研究首次提出了腦機協(xié)同演進的概念，并基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件完成了技術(shù)驗證，通過長時程大腦與憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件之間的信息交互，初步實現(xiàn)了生物智能與機器智能的互適應(yīng)、互學(xué)習(xí)，為未來實用型腦機接口系統(tǒng)提供了重要的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，也為腦機融合智能的發(fā)展開辟了新的方向。”他還透露，“未來，這款系統(tǒng)計劃拓展到更多便攜式或可穿戴腦機接口設(shè)備中，服務(wù)于消費級、醫(yī)療級等各類智能人機交互實用場景。”
本文鏈接：國際首個“雙環(huán)路”腦機接口系統(tǒng)問世http://www.lensthegame.com/show-2-10775-0.html
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