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國際首個!我國腦機接口取得新突破
記者17日從天津大學獲悉,該校腦機海河實驗室和清華大學集成電路學院聯(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。相關成果刊發(fā)在國際學術期刊《自然·電子》上。
天津大學供圖
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,被公認是新一代人機交互和人機混合智能的核心技術。如何通過腦機之間的信息交互實現(xiàn)“互學習”,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?!暗壳澳X機交互過程中大腦與機器的動態(tài)耦合機制尚未厘清,導致腦機之間的長時程互適應能力較弱,工作性能隨時間下降嚴重?!碧旖虼髮W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)觀點認為的背景腦電變異,而且與閉環(huán)腦機交互引導下的任務腦電演變密切相關?;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)器件構建了全新的腦機接口系統(tǒng)。
天津大學供圖
在雙環(huán)路框架下,“機學習”環(huán)路中的憶阻器解碼器通過適應腦電信號波動完成解碼參數(shù)更新,“腦學習”環(huán)路中的任務相關腦電特征在“決策-反饋”循環(huán)的引導下不斷正向演化。相關算法基于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、能處理更復雜任務。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?!痹S敏鵬舉例說,傳統(tǒng)無創(chuàng)腦機接口技術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)四自由度任務目標。
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、互學習,為未來實用型腦機接口系統(tǒng)提供了重要的理論基礎與技術支撐,也為腦機融合智能的發(fā)展開辟了新的方向?!彼€透露,“未來,這款系統(tǒng)計劃拓展到更多便攜式或可穿戴腦機接口設備中,服務于消費級、醫(yī)療級等各類智能人機交互實用場景?!?
(科技日報記者 陳曦)
- 原標題:國際首個“雙環(huán)路”腦機接口系統(tǒng)問世
- 責任編輯: 房佶宜 
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