科技日報記者 陳曦

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。

腦機接口能實現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“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，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。基于這一發(fā)現，團隊首次提出了“雙環(huán)路腦機協(xié)同演進框架”，并通過憶阻器神經形態(tài)器件構建了全新的腦機接口系統(tǒng)。

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)模的憶阻器神經形態(tài)器件實現了硬件化部署，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個數量級（百倍）以上，能耗降低3個數量級（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動態(tài)變化，展現出了腦機協(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形態(tài)器件之間的信息交互，初步實現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。”他還透露，“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?！?/p>

（天津大學供圖）