受試者正在用大腦信號(hào)駕駛汽車(chē)
系統(tǒng)反饋信號(hào)
汽車(chē)左轉(zhuǎn)、加速、右轉(zhuǎn)狀態(tài)
一名男子頭戴一頂特殊的帽子，一條導(dǎo)線連接著身旁的儀器。他目不轉(zhuǎn)睛地盯著面前的顯示器，屏幕上一輛小車(chē)在道路上行駛，駕駛車(chē)的正是這名男子。但他并沒(méi)有手握方向盤(pán)，腳踩油門(mén)、離合器，而是通過(guò)自己對(duì)道路狀況的判斷，把大腦信號(hào)傳遞給電腦，讓車(chē)順利躲開(kāi)各種障礙，自由靈活地行駛在繁忙的道路上……這聽(tīng)起來(lái)是科幻小說(shuō)情節(jié)或者科幻電影鏡頭的場(chǎng)面，就發(fā)生在上海交通大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中。實(shí)驗(yàn)主持人告訴記者，這一成果有望在不久的將來(lái)上演真實(shí)一幕。
記者獲悉，上海交通大學(xué)博士生趙啟斌及其導(dǎo)師張麗清教授成功研發(fā)了在三維虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中意念汽車(chē)駕駛系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)受試者的想象思維來(lái)控制虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的汽車(chē)，而不用操縱汽車(chē)的方向盤(pán)或者控制桿，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的左右轉(zhuǎn)向和汽車(chē)速度的增減，并沿著指定道路的駕駛。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自主、異步、自然的新型腦計(jì)算機(jī)交互原型系統(tǒng)。
20世紀(jì)60年代以來(lái)，科學(xué)家對(duì)認(rèn)知心理學(xué)和神經(jīng)科學(xué)進(jìn)行了大量的電生理學(xué)研究，特別是對(duì)人腦在各種狀態(tài)下所產(chǎn)生的特定腦電信號(hào)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。腦-機(jī)接口(Brain-computer interface, BCI)便是利用腦電信號(hào)實(shí)現(xiàn)人腦與計(jì)算機(jī)或其他電子設(shè)備的直接通訊和控制。1970年，美國(guó)國(guó)防部為了軍事目的而資助成立了最早的BCI研究組。BCI技術(shù)結(jié)合了神經(jīng)科學(xué)、心理認(rèn)知科學(xué)和智能信息處理等領(lǐng)域的最新成果，研究重點(diǎn)在于揭示特定腦思維活動(dòng)規(guī)律，建立腦思維活動(dòng)的意向與行為之間的關(guān)聯(lián)。直接提取大腦的神經(jīng)活動(dòng)，實(shí)時(shí)翻譯成控制命令，來(lái)控制假肢、計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、家用電器等，以期幫助那些肢體殘疾、脊髓損傷、中風(fēng)、肌萎縮側(cè)索硬化，以及其他神經(jīng)肌肉退化的病人，建立一個(gè)大腦與外界世界直接交互的新途徑，改善他們的生活質(zhì)量。
趙啟斌介紹，研究結(jié)果表明人腦思維想象時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很多微弱的腦電信號(hào)，不同的運(yùn)動(dòng)想象在不同腦區(qū)產(chǎn)生不同模式的腦電信號(hào)，通過(guò)分析腦電信號(hào)，可以對(duì)人的運(yùn)動(dòng)想象類(lèi)別進(jìn)行判斷。受試者的“帽子”里布滿了靈敏的精密傳感器，能把思維產(chǎn)生的腦電信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)通過(guò)精密的分析，就能識(shí)別這些信號(hào)，把人的“意愿”轉(zhuǎn)化為指令，把指令信號(hào)發(fā)給相關(guān)設(shè)備，起到控制作用。研究人員利用運(yùn)動(dòng)想象意念產(chǎn)生的腦電信號(hào)驅(qū)動(dòng)三維虛擬環(huán)境下汽車(chē)沿著指定道路的平穩(wěn)行駛。
這一研究工作的創(chuàng)新之處在于建立了一種新型的非侵入式運(yùn)動(dòng)想象BCI 原型系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制任務(wù)(如駕駛汽車(chē)), 不僅采用了運(yùn)動(dòng)想象的類(lèi)別(如想象左、右手、腳)來(lái)控制汽車(chē)方向盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向, 并且利用特定想象任務(wù)的持續(xù)時(shí)間來(lái)定義相應(yīng)控制命令的強(qiáng)度, 并用來(lái)控制連續(xù)變化的方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角度。因此用戶可以通過(guò)想象任務(wù)來(lái)調(diào)整方向盤(pán)角度, 并且可以加速或自動(dòng)減速，從而能夠自主駕駛汽車(chē)。相對(duì)于傳統(tǒng)BCI中兩種或三種離散控制命令, 本系統(tǒng)具有更加精細(xì)與平滑的控制能力。在此基礎(chǔ)上，該BCI系統(tǒng)采用了靈活的異步操作協(xié)議使受試者能夠通過(guò)多種不同的運(yùn)動(dòng)想象任務(wù)來(lái)自主連續(xù)地控制汽車(chē)的行駛。解決了基于腦電信號(hào)腦計(jì)算機(jī)交互的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，包括自主、異步操作模式、快速狀態(tài)檢測(cè)、連續(xù)控制與反饋等。研究受到了國(guó)家“973計(jì)劃”(編號(hào): 2005CB724301)與上海市科委科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃資助。
有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為，該項(xiàng)研究對(duì)理解大腦認(rèn)知過(guò)程、智能信息處理有重要的理論意義，對(duì)研發(fā)處理高度復(fù)雜數(shù)據(jù)的新型信息感知技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)具有重要的價(jià)值。對(duì)挖掘人類(lèi)認(rèn)知潛能、研發(fā)殘疾人和老年人自理自助系統(tǒng)、特別是對(duì)認(rèn)知障礙疾病的康復(fù)等問(wèn)題具有重要的應(yīng)用前景，并具有極其重要的社會(huì)意義。新型的腦計(jì)算機(jī)接口也可以應(yīng)用于汽車(chē)安全駕駛系統(tǒng)、殘疾人輪椅控制、高危險(xiǎn)性警覺(jué)度評(píng)估、情緒分析等領(lǐng)域。(博雅)
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