脑机交互技术国内外发展现状:应用前景及国内外专利现状

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  • 2018-12-31 19:51

脑机接口技术的研究早期出于军事目的,意图通过意识远程操控机器人完成作战等任务,后逐渐在医疗方面发展,以期通过神经科学、信号检测、机器学习等跨学科研究,找到治愈运动障碍者的方法,并在娱乐业,尤其虚拟操控领域受到欢迎。

脑机交互技术分为“植入式”和“非植入式”两类。其中,植入式由于技术较难,对精准度要求高,并需植入脑部皮肤,因此仍在人体实验阶段,主要出于医疗研究目的,荷兰、美国在此领域较为领先。而非植入式装卸方便,已进入商用阶段,以娱乐和医疗为主要目的,较有代表性的企业包括日本本土公司、日本Neurowear公司、美国Emotiv公司等。

1、脑机交互技术及其应用前景

脑机接口(Brain-MachineInterface,BMI)是指不依赖常规的脊髓/外周神经肌肉系统,在脑与外部环境之间建立一种新型的信息交流与控制通道,实现脑与外部设备之间的直接交互。脑机接口涉及信息科学、认知科学、材料科学和生命科学等领域,对人工智能、生物工程和神经康复等产生了越来越重要的影响。通过脑机接口技术实现脑与外部设备的交互,则称为脑机交互。

脑机交互技术是涉及到多学科的交叉研究,包括神经科学、信号检测、信号处理、机器学习,模式识别、控制理论、心理学等等。其研究最初瞄准军事领域,以期在未来战场上,使士兵能通过大脑直接操纵武器、甚至远程控制机器人无人机作战,从而提高战斗力和降低伤亡率。而脑机交互技术在民用范围内的研究也具有深远意义。医疗方面,通过BCI系统,可以为严重运动残疾人和正常人提供辅助控制,从而改善生活质量,诸如霍金等运动障碍患者已经开始应用相关设备实现与外界的沟通。而在日常生活娱乐中,脑机接口可以取代传统鼠标键盘或其他手控操作设备,实现电脑操作、玩游戏、看电视等活动,增强生活的趣味性。

2、国内外发展现状:

(1)国外发展现状

1)“植入式”技术:美、荷领先,已开展人体实验

目前,脑机交互的研究热点聚焦脑机接口技术,按信号采集的方式,大致可分为“植入式”和“非植入式”两类。其中,“植入式”技术,需要通过在大脑皮层表面或脑内部完全植入电极来采集脑电,信息量大、时空分辨率高,锋电位(Spike)信号解码能够实现对外部设备多自由度的实时、精确控制。但是,由于其需要植入人脑,属于“有创”操作,因而研究目的主要是帮助严重运动残疾的病人康复或提高生活质量,以医用为主。

目前,“植入式”脑机接口技术的研究在动物实验中取得了诸多进展,但是在人体中实现应用难度更大,而传统技术强国美国在人用研究方面已实现了突破,处于行业前列,已为几十位瘫痪病人提供了帮助,而荷兰科学家近期的成果也受举世瞩目:2006年,美国布朗大学在瘫痪病人上实现脑电控制假肢,实现了脑机接口的首次临床应用;2012年,美国西北大学实现了功能性电刺激控制瘫痪肌肉;同一年,美国匹兹堡大学实现人脑ECoG信号控制机械手,该大学研发的另一款机械手,使得另一位高截瘫患者在与美国总统奥巴马握手时,能够使其大脑收到机械手回传来的信号,使患者感到两手相握的触感;2015年,加州理工的研究团队通过读取病人手部运动相关脑区的神经活动,成功将病人的运动意念转化成控制假肢的信号,是一位瘫痪10年的高位截瘫病人通过意念控制独立的机械手臂完成诸如“喝水”等较为精细的任务;2016年,荷兰乌特勒支大学的科研团队则成功地使一位因渐冻症(ALS)而失去运动能力乃至眼动能力的患者通过脑机交互技术,实现了其通过意念在计算机上打字,准确率达到95%,使植入式脑机接口技术应用水平又向前迈了一大步。

2)“非植入式”技术:初探市场,产品迭出

“非植入式”因其操作相对简便而受到更多研发团队的青睐,主要有脑电图EEG、脑磁图MEG、近红外光谱NIRS、功能磁共振成像fMRI等研究方式,一些商用脑机交互产品已经被开发和出现在市场上。例如,日本本田公司生产了意念控制机器人,操作者可以通过想象自己的肢体运动来控制身边机器人进行相应的动作;美国罗切斯特大学的一项研究,受试者可以通过P300信号控制虚拟现实场景中的一些物体,例如开关灯或者操纵虚拟轿车等;日本科技公司Neurowear开发了一款名为Necomimi意念猫耳朵的脑机交互设备,这款猫耳朵可以检测人脑电波,进而转动猫耳来表达不同情绪,其姐妹产品“脑电波猫尾”,则可由脑电波控制仿喵星人的尾巴装置运动,它可以随着佩戴者的心情的变化而运动,当佩戴者心情放松愉悦时,尾巴就会摇得舒缓温和,当使用者精神紧张时,尾巴就会摇得生硬;美国加州旧金山的神经科技公司Emotiv则开发出一款脑电波编译设备——EmotivInsight,能够帮助残障人士用来控制轮椅或电脑。

(2)国内发展现状

中国在脑机交互研究方面也有所建树,清华大学、华南理工大学、电子科技大学、上海交通大学、浙江大学、国防科技大学、第三军医大学、安徽大学、天津大学、杭州电子科技大学等都已设立课题组研究相关领域,在国际BCI大赛中取得成绩,研究成果取得不少突破。例如,浙江大学早期研究大白鼠“动物机器人”意念控制实验和猴子大脑信号“遥控”机械手,并完成了国内首次病人颅内植入电极,然后用意念控制机械手的实验,在“植入式脑机接口”领域处于国内领先;上海交通大学于2015年成功实现了人脑意念遥控蟑螂行动;清华大学早在2001年就实现控制鼠标、控制电视各个按键,在2006年他们通过运动想象,控制两个机器狗,进行了一场足球大赛,并进行基于运动想象脑一机接口及功能性电刺激技术的康复训练新方法;华南理工大学则在研究基于P300和运动想象结合的文字输入系统、光标控制上网发邮件、以及在残疾人生活辅助(如家电及轮椅等控制)和神经功能康复中的应用等;2016年10月,由天津大学神经工程团队负责设计研发的在轨脑-机交互及脑力负荷、视功能等神经工效测试系统随着“天宫二号”进入太空进行了国内首次太空脑机交互实验。

3、专利发展历程

(1)专利发展历程

脑机交互的技术起步较晚,根据专利检索数据分析,脑机交互的专利文献申请和公开均始于21世纪初,随后数量逐年攀升,年均增长率分别达到33.82%和36.60%,但总体体量并不大,累积至2017年3月初,所能检索到的最相关专利也只有400余件,正处于初步发展阶段。(见图1)

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图1脑机交互专利年度公布与申请情况(截至2017年初)

数据来源:ThomsonInnovation专利数据库。

(2)技术领域构成

脑机交互技术目前多应用于医疗及游戏领域,根据IPC分类规则对脑机交互专利技术数据进行分析,结果显示,该技术领域专利较多集中于电数字数据处理(IPC号:G06F);诊断、外科、鉴定(A61B);可植入血管内滤器、假体、支架等装置(A61F);数据识别、记录载体(G06K);电疗、磁疗、放射疗、超声波疗(A61N)等几个大类内。对其细分发现,专利比重最多的两个细分领域分别是“用于用户和计算机之间交互的输入装置或输入和输出组合装置”(G06F3/01)和脑电图术(A61B5/0476),分别占专利总量的24.9%和10.8%,其他比重较大的细分领域还有“测量人体或人体各部分的生物电信号”、“使用诱导响应的诊断、外科、鉴定技术”、“专门适用于脑电图术的电极”等。(详见图2)

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图2脑机交互的重点技术领域分布

(3)区域格局分析

从公开专利的地区分布来看,中国已经成为脑机交互应用最为看好的市场,专利文献计数达到207项,占到全球总量的51.4%,其次是美国,占到全球的14.9%,而通过世界知识产权组织(WO)授权的允许在该组织授权地区范围内应用的专利数量占到总量的13.2%。其他申请活动较为活跃的国家或地区有韩国、日本、印度和台湾地区,英国、德国、加拿大、澳大利亚、法国、巴西、土耳其、杰克共和国、西班牙等也有所涉猎。(详见图3)

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图3脑机交互技术公开专利的地区分布

(4)竞争机构排名

目前,中国高校在脑机交互技术研发方面非常踊跃,天津大学、南方科技大学、北京理工大学、西安交通大学、浙江大学等外地高校皆有建树,上海地区的上海交通大学、上海海事大学等也有所斩获,而国际方面,新加坡科技研究局、美国斯坦福大学、韩国首尔大学、荷兰StichtingKatholieke大学、日本丰田汽车等是较为积极的研发机构。见表1。

表1脑机交互专利权人/申请人(首位)前十五位排名

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数据来源:ThomsonInnovation专利数据库;制表:AIUST人工智能网

主要参考文献:

[1]江旋.人体增强技术的伦理研究[D].东南大学,2015:3

[2]张向刚,秦开宇,石宇亮.人体外骨骼服技术综述[J].计算机科学,2015,42(8):1~6

[3]邢凯,赵新华等.外骨骼机器人的研究现状及发展趋势[J].医疗卫生装备,2015,36(1):104~107

[4]赵钦军,韩忠朝.基因编辑技术的发展前景及伦理与监管问题探讨[J].科学与社会,2016,6(3):1~11

[5]杨飞,张雪娇等.疾病模型构建新时代——CRISPR/Cas基因编辑技术[J].医学研究与教育,2016,33(1):56~61

[6]李修全,蒋鸿玲.美日欧政府发展人工智能的新举措及对我国的启示[J].全球科技经济瞭望2016,31(10):73~76

[7]ThomsonInnovation专利数据库。


来源:上海情报服务平台

作者:汪逸丰

编辑:jiyang

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本文链接: https://www.aisut.com/article/20181231/1029.html

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