背景介紹：天津大學針對人機交互面臨的神經系統層面交互信息複雜共性挑戰，發明了一套面向高性能人機交互的腦-機-體複合神經感知與反饋的系統解決方案，研究成果在醫學、航天及相關領域的高性能人機交互產品中得到規模應用。
大腦是宇宙中最複雜的系統之一，不但有極為複雜的神經網絡結構，還有千變萬化的動態信息。每說一句話，大腦裡可能有上億個神經細胞在不斷髮放電脈衝。如果能將大腦的信號接收下來、解讀出來，甚至複製出來，進而通過神經信號來控制電子設備，人的意識就可以不再受限於脆弱的肉體。那我們應當怎樣讀懂“腦語”？ 怎樣打通大腦與機器之間的聯結呢？
在電影《阿凡達》中，人類的思維活動可以轉移給“替身”(Avatar)，除了控制替身的活動之外，還和替身一起經歷外星球的體驗，而這個操作來源於電影裡類似大腦掃描儀的腦機接口系統。 腦機接口能夠實時監測生物體中樞神經系統活動並將其用於神經系統及其與內、外部環境信息的交互，進而實現輔助、改善、增強、重建或者替代中樞神經系統的功能。腦機接口正在人機交互領域發起一場新的革命，例如，大腦思維活動提供了可檢測的反映心理或行為特徵的神經電生理信號，可經頭皮電極、皮層表面電極或皮層內部植入式等多種傳感器拾取；通過解碼這些特徵腦電信號，腦機接口獲得大腦思維意圖信息，再由工程技術手段將其轉換成可用於控制外部設備工作的指令信號，從而實現無需常規外周神經與肌肉系統參與、按大腦思維意圖照辦的對外信息交流與互動。
21世紀是腦科學的時代，世界主要科技強國均啟動了目標宏大的“腦計劃”，腦機接口一直被列為美國最優先支持發展的顛覆性創新技術之一。2018年11月19日，美國商務部出臺了一份針對最新的14大類關鍵技術和相關產品的出口管制框架，在這份名單中腦機接口技術及相關產品赫然在列。天津大學神經工程團隊是國內最先從事腦機接口領域研究的單位之一，始終致力於包括神經傳感與成像、神經接口與反饋、神經刺激與調控、神經仿生與智能等的腦機交互基礎機理與前沿技術，及其面向物理醫學與康復工程、特種醫學與人機工程等重大領域的工程應用研究。
天津大學神經工程團隊針對人機交互面臨的神經系統層面交互信息複雜共性挑戰，歷時十餘年，發明了一套面向高性能人機交互的腦-機-體複合神經感知與反饋的系統解決方案。該技術成果依託國家重點研發計劃、863計劃、科技支撐計劃和自然科學基金等項目支持，面向腦-機-體協同交互深入開展了複雜神經信息檢測識別與外部機器設備反饋調控的系統研究，形成了複合神經感知與反饋系列化解決方案和應用系統，重點發明瞭腦-機交互的神經信息學複合編解碼技術、肌-機交互的神經肌骨動力學複合調控技術以及體-機交互的人工神經系統視觸覺複合反饋技術，尤其在腦信號深度解碼、腦意圖精細辨識、腦-機快速通訊等方向形成了特色優勢，先後發展了混合P300-SSVEP編碼、極微弱腦電特徵解碼、腦-機通訊動態停止、訓練型腦-機-體交互等一批自主可控核心技術，創造了腦-機接口領域多項性能指標的國際紀錄，包括目前最高識別精度（0.5μV）、最大控制指令集（108指令）和最快傳輸速度（模擬在線平均信息傳輸率353bits/min）。
天大神經工程團隊項目成果在醫學、航天及相關領域的高性能人機交互產品中得到規模應用。
在醫學領域，陸續設計出新型卒中人工神經康復機器人系統“神工一號”（2014年）、“神工二號”（2015年）並通過國家食品藥品監督管理局（CFDA）檢測，在多地醫院臨床測試成功，受益患者超過3000餘例，被“觀察者”評為“2014年度中國可能改變未來的十大科技成果之一”，有力推動了新興的腦-機交互技術在臨床康復工程領域的發展與應用。
在航天領域，與中國航天員中心合作，為2016年我國“天宮二號”和“神舟十一號”載人飛行任務主持研製了空間腦-機交互技術試驗系統，國際上首次在軌進行腦-機交互技術空間適應性測試。該系統通過大量地基實驗深入揭示失重、噪聲、情緒等對腦電影響，實現了高識別度、高穩定性、適於空間環境的腦-機接口自適應分類技術；建立了針對航天特徵的實驗策略和訓練方法，大幅提高系統識別正確率，為有效開展天地差異對比建立穩定基線。
人機融合將是未來航天醫學與人因工程發展的必然趨勢，腦機接口為航天員等特殊人群提供肢體約束環境下的“第三隻手”和神經功能層面融合的自適應自動化人機協作，幫助他們完成更多更復雜的工作任務。該系統的建立和成功測試將為未來深入開展先進交互技術在軌適應性研究和技術應用起到重要推動作用，為我國載人航天工程的新一代醫學與人因保障系統提供了關鍵科學依據與技術支撐。
該項目成果還推廣到智能家居等相關領域，成功研製出國內首款人感仿生神經系統模塊並應用於海爾SmartFlow中央空調等系列產品。
天津大學該項目成果共獲授權國家發明專利72項、其他知識產權2項，形成了完整的自主知識產權集群，獲首屆國際電生理Neuroscan Award、第二屆中國高校科技成果交易會特別金獎，第十九屆中國專利獎、第二屆黃家駟生物醫學工程獎、2017年中國康復醫學會科技進步一等獎，2016年天津市技術發明一等獎、天津市專利金獎，2015年天津市科技進步一等獎等多項獎勵。
本文作者：中國教育和科研計算機網 袁玉凝
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