科技日?qǐng)?bào)記者 陳曦
記者17日從天津大學(xué)獲悉，該校腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)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(jìn)腦機(jī)接口系統(tǒng)。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還首次揭示了大腦電信號(hào)與解碼器在交互過程中如何進(jìn)一步協(xié)同增強(qiáng)的奧秘，并成功實(shí)現(xiàn)了人腦對(duì)無人機(jī)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(jī)接口能實(shí)現(xiàn)大腦與機(jī)器直接信息交流，促進(jìn)生物智能與機(jī)器智能融合，被公認(rèn)是新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的核心技術(shù)。如何通過腦機(jī)之間的信息交互實(shí)現(xiàn)“互學(xué)習(xí)”，進(jìn)而促進(jìn)腦機(jī)智能的協(xié)同演進(jìn)，是突破腦機(jī)性能瓶頸的重點(diǎn)和難點(diǎn)?！暗壳澳X機(jī)交互過程中大腦與機(jī)器的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制尚未厘清，導(dǎo)致腦機(jī)之間的長時(shí)程互適應(yīng)能力較弱，工作性能隨時(shí)間下降嚴(yán)重?！碧旖虼髮W(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室許敏鵬教授說。
研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，腦電信號(hào)中的非平穩(wěn)特性不僅來源于傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為的背景腦電變異，而且與閉環(huán)腦機(jī)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(tuán)隊(duì)首次提出了“雙環(huán)路腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)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(jī)接口系統(tǒng)。
在雙環(huán)路框架下，“機(jī)學(xué)習(xí)”環(huán)路中的憶阻器解碼器通過適應(yīng)腦電信號(hào)波動(dòng)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(shí)現(xiàn)了硬件化部署，將腦電信號(hào)的多步計(jì)算過程優(yōu)化為單步計(jì)算。
“相較于傳統(tǒng)純數(shù)字硬件方案，‘雙環(huán)路’腦機(jī)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(gè)數(shù)量級(jí)（百倍）以上，能耗降低3個(gè)數(shù)量級(jí)（千分之一）以下?！痹S敏鵬舉例說，傳統(tǒng)無創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)通常只能控制無人機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的二自由度飛行，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“雙環(huán)路”腦機(jī)接口系統(tǒng)可高效支撐無人機(jī)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(shí)的長時(shí)程腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)中，大腦和解碼器的貢獻(xiàn)比例呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，展現(xiàn)出了腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)的過程：初期以解碼器自適應(yīng)更新為主，隨著時(shí)間推移，大腦貢獻(xiàn)逐步增加，最終腦機(jī)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(xiàng)研究首次提出了腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)的概念，并基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件完成了技術(shù)驗(yàn)證，通過長時(shí)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(shí)現(xiàn)了生物智能與機(jī)器智能的互適應(yīng)、互學(xué)習(xí)，為未來實(shí)用型腦機(jī)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(jī)融合智能的發(fā)展開辟了新的方向?！彼€透露，“未來，這款系統(tǒng)計(jì)劃拓展到更多便攜式或可穿戴腦機(jī)接口設(shè)備中，服務(wù)于消費(fèi)級(jí)、醫(yī)療級(jí)等各類智能人機(jī)交互實(shí)用場(chǎng)景?！?/span>
?。ㄌ旖虼髮W(xué)供圖）
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