原創 賈懶 果殼

在科幻劇《愛、死亡與機器人》中，有一集是角色通過頭戴式設備用意念操控怪獸互搏，這種能讓人通過意念進行操控的設備，便是腦機接口（BCI）。

主角通過頭戴式設備用意念操控怪獸丨《愛、死亡與機器人》劇照

意念能操控，但沒手感啊

現在的一些腦機接口可以讓我們用眼睛打字，讓猴子看著屏幕打游戲，但如果牽涉到更精細的操作，比如像科幻劇中操控怪獸打架，或者哪怕只是接住一個掉下的杯子，沒有手感都很難做到。

我們對四肢和手部傳來的感覺習以為常，甚至意識不到這些感覺有多重要。倘若你使用沒有觸覺反饋的腦機接口，就好像是在操縱抓娃娃機，是不是抓對地方了，抓得夠緊嗎，會不會抓不住，會不會把娃娃戳破了？我們都不得而知——你很難抓住一個你根本感覺不到的東西。

你很難抓住一個你根本感覺不到的東西丨Giphy

因為脊椎損傷而失去運動能力的病人，可以利用腦機接口來實現簡單的意識操控。現有的腦機接口主要是通過視覺來控制機械手臂抓取、移動物體，就像我們夾娃娃一樣缺乏真實抓到的感覺，因此動作會非常笨拙、緩慢。參與腦機接口實驗的病人也表示：“當只有視覺反饋的時候，我只能看到那只手碰到了那個物體。如果我用它來撿東西，有時候東西就會掉下來。”

怎么才能讓意識操控機械的時候，還能有真實的感覺呢？答案就是雙向腦機接口，也就是大腦-機器-大腦。大腦的意識操控機器后，機器還能將觸覺刺激反饋給大腦，實現實時操控。

“腦-機-腦”更勝一籌

近日，美國匹茲堡大學的研究團隊在《科學》上發布了最新的雙向腦機接口研究成果，可以讓人用意念控制機械臂撿拾物體時，也能向人的大腦提供直接的觸覺反饋。

參與研究的內森·科普蘭（Nathan Copeland）在2004年因為車禍成為癱瘓病人，僅有手腕、幾根手指和部分肩膀仍有知覺。他六年前就開始參與實驗室的腦機接口研究。

科普蘭意念操縱機械臂與人握手丨UPMC/Pitt Health Sciences

因為這場實驗，他成了世界上第一個同時在大腦運動皮層和軀體感覺層中植入微電極陣列的人，軀體感覺層就是大腦中處理來自身體的感覺信息的區域。這樣腦機接口不僅能解碼他的運動意圖從而操作機械臂，還能夠讓他感受到觸覺反饋。

一開始科普蘭參加實驗的時候，接受的是依靠視覺來操縱機械臂的傳統訓練。三年后，科普蘭可以非常熟練地用意念讓機械臂移動球體或抓住立方體。然而，健全的人類只需要花費5秒鐘的抓握任務，科普蘭通常要花費20秒左右的時間來完成。

光靠視覺控制的訓練已經到達了瓶頸期，研究人員決定讓科普蘭接受來自機械臂的觸覺反饋，打通從機器到大腦的雙向反饋通路。

有了觸覺反饋，完成同一項任務要省不少時間。表現好時，甚至不到4秒就能完成任務丨參考文獻[1]

通過給機械臂的手指根部加裝扭矩傳感器，來檢測手指運動時產生的旋轉力，再模擬人類手指感受到壓力時的電信號，將電信號通過腦機接口傳入到植入在科普蘭頭皮內部的微電極陣列里，這樣科普蘭就感受到了機械手臂所觸摸的物體。

科普蘭因此體驗到了一種奇妙的觸覺，類似壓力和輕微的刺痛感。這種觸覺反饋的強度會根據手施加在物體上的力的大小而變化，這讓他的訓練成果突飛猛進。從前，他會猶豫地摸索，試圖確定自己的確抓住了東西。現在有了觸覺反饋，他要完成抓握任務，只要10秒就夠了，時間縮短了一半。

機械手臂所增加的觸覺傳感器，實現了和生物體類似的“實時傳導”，大腦對手部觸覺的延滯時間大約為30毫秒，而傳感器每20毫秒就向腦機接口發送一次信號。這種實時的反饋讓科普蘭覺得非常自然，“這種控制非常符合直覺，以至于我基本上只是在想事情，但好像是在移動我自己的手臂。”

觸覺不太真實，大腦還連著線

雙向腦機接口可以讓人意念操控機械臂做出完整和自然的動作，對幫助癱瘓病人恢復運動能力來說是一大進步。

不過，這種腦機接口技術仍然受到較多的限制，它需要依靠龐大的有線設備與受試者的大腦進行連接。

去年馬斯克曾展示了精巧輕便的無線連接設備，類似的裝備如果能投入使用，將省去不少麻煩。

馬斯克讓猴子用意念打游戲，這里的腦機接口設備便是無線的

丨Neuralink

另外，觸覺反饋的真實度有待提高，現有的傳感器仍無法像真實人類的手一樣來控制微妙的力道、完成更復雜的任務。科學家們正在探索通過在病人四肢中裝入電極，再配合外骨骼來恢復運動能力。也許有一天，癱患者操控的不再是機械手臂，而是自己原本的手腳。

未來，這項技術可能讓許多癱瘓的患者實現部分自由，比如不必依賴看護者就能給自己倒杯水，并把這杯水送到嘴邊。類似這樣的“小事”，對他們來說會是改變生活的“大事”。

參考文獻

[1] Flesher S N, Downey J E, Weiss J M, et al. A brain-computer interface that evokes tactile sensations improves robotic arm control[J]. Science, 2021, 372(6544): 831-836.

[2]https://www.wired.com/story/this-brain-controlled-robotic-arm-can-twist-grasp-and-feel/

作者：賈懶

原標題：《用意念抓住一個你感覺不到的東西，有多難？》

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