西北工业大学脑控技术可控制无人机运行

  科技的发展,让“心想事成”不再只是一句祝福。本期好奇心带你探秘西北工业大学团队研发的脑控技术,用人脑控制机器人和无人机运行。

  现场演示

  操作者盯着屏幕上的灯 机器人就会动

  近日,好莱坞科幻电影《环太平洋2》正在热映,片中主人公身处机甲战士身体内,“主人”可以随心所欲地控制机甲,就好像是控制自己的身体一样。

  这部科幻电影所描绘的技术即“脑控技术”,用人的意念来控制机器等外部事物。西北工业大学电子信息学院谢松云教授所带领的神经信息团队在该领域进行了长达十余年的研究,并取得了重大突破。昨日,团队成员向记者现场展示了该技术的其中一种实验模式。

  实验人员头戴脑电检测设备,盯着面前的视觉刺激装置,该装置由电脑显示屏和上下左右四个led灯组成,机器人和脑电检测设备由无线方式进行信号传输,机器人实时运行图像通过摄像机传回到装置显示屏。实验人员盯着装置上方的灯,机器人就会向前行进,盯着下方的灯机器人就会向后退,左右分别是左拐和右拐。机器人行进到玩偶跟前,实验人员通过眨眼,控制机器人将玩偶抓取或放下。

  

 

  记者体验

  脑控机器人反应快 操作者不能开小差

  为了进一步感受脑控技术,记者亲身体验了脑控机器人的操作过程。

  “脑电检测设备上的电极要紧贴头皮,从而更好地采集脑电波,所以头发太厚可能会有影响。”谢松云教授边给记者调试脑电检测电极边介绍。实验人员将记者的头发拨开戴上脑电检测设备,实验开始后记者先盯着视觉刺激装置上方的灯,机器人立即开始向前行进,走到玩偶面前后记者眨眼,机器人很快就抓取到玩偶。随后记者想让机器人后退,但是看灯时没能集中注意力,所以机器人并未做出相应动作,记者重新集中注意力后,机器人又很快按照脑控意愿完成了相应任务。由于一直盯着灯看,记者感到眼睛有些疲劳。

  “这就是这种模式的局限性。”谢松云说,这种模式需要集中注意力,但实际操作中很难做到不分神,眼睛的余光也容易看到其他方向的灯,所以采集到的脑电波不一定就是单一的一种,容易发生偏差。

  

 

  其他成果

  大脑进行想象就能控制无人机左右运动

  谢松云说,其实利用视觉刺激的方式进行脑控只是脑控技术的一种模式。而且通常意义上的脑控希望实现“脑子里怎么想,事物就怎样运动”的效果,为此,他们研发了多模式脑控无人机系统,结合了视觉刺激、事件想象和眨眼三种模式控制无人机的飞行。其中,想象模式就是大家所说的“意念控制”,无需外加刺激装置,只通过大脑进行特定任务的想象,激发出相应的脑特征信号。

  据介绍,操作多模式脑控无人机时,视觉刺激控制无人机的上升、下降,事件想象控制无人机左前、右前运动,眨眼控制无人机的悬停。在前不久刚做的一次实验中,团队实验人员就通过这三种模式实现了无人机的跨障碍、绕八字飞行。

  原理解析

  检测脑电波后转化为控制信号 实现脑控

  谢松云介绍,人脑神经元活动时就会产生电信号,这些信号相叠加,就形成了脑电波。脑控技术的原理其实是通过对脑电波进行分析解码,转换为控制信号,进而实现对“事物”的控制,这些“事物”可以是设备装置,甚至可以是生物体。

  谢松云从2002年开始从事该领域的研究,“这是一个交叉学科的研究,包括神经生物学、信息学、自动化、计算机、心理学、医学等。”谢松云说,人脑非常复杂,检测到的脑电波非常微弱且噪音很大。生理刺激可以激发出相应的脑电特征信号,于是他们研发并自制出了视觉刺激装置,通过灯光的闪烁对眼睛的刺激在大脑产生相应频率的特征信号,四个频率不同的信号可通过解码形成四个脑控指令。人脑需要发出什么指令就看对应的灯,脑电检测仪采集到相应的脑电信号并提取出来,通过分析处理转换为控制信号,从而控制机器人按照人的意图完成运行。

  事件想象和意识眨眼两种模式,同样是利用脑电检测仪采集相应的脑电信号,提取不同刺激模式下脑电信号所对应的不同特征,进而控制无人机的飞行。

  

 

  研发进展

  目前可实现1.5秒内完成 目标为1秒以内

  谢松云说,他们所研发的脑控技术目前在世界上处于先进水平,实验平均任务完成时间为1.5秒以内,因为从刺激产生到脑电信号的特征提取到转换和控制需要一个过程,今后的研究目标为1秒之内。

  谢松云介绍,其实脑控技术的难点在于脑电特征信号的提取,因为人类的大脑非常复杂,目前对于人脑的发掘却很有限。目前脑部信号采集方式主要有两种,脑植入电极的“侵入式”和无植入的“非侵入式”。“侵入式”是将脑电检测的电极通过外科手术植入大脑,这种方式采集的信号相对较强、稳定性强,但这种方式需要在颅内植入电极,对人体造成一定的创伤,不方便长期使用。谢松云团队研究的则是“非侵入式”,即在头皮佩戴脑电检测装置。

  应用前景

  可广泛应用于无人驾驶、工业控制等领域

  脑控技术将得到怎样的应用?谢松云介绍,可广泛应用于无人驾驶、工业控制、教育、娱乐、助老/助残设备和医疗领域。

  无人驾驶方面,目前一个技术难点在于无人车通过人工智能方法提前学习各种路况后运行,但现实路况往往更加复杂多变,所以出现了无人驾驶汽车发生交通事故的现象。脑控技术的加入,可在发生事故的瞬间,及时发出各种警示和模式切换指令,从而避免交通事故。这也是谢松云团队提出的“脑机一体化”概念,将大脑的智力和基于计算机技术的人工智能结合起来,将大脑作为计算机控制的一个组成部分,构成一个既有大脑的灵活和智能,又有计算机的高速和大容量的新型系统,提高系统的适应性和安全性。

  另外,行动不便的残疾人和老年人需要轮椅等辅助设备,脑控技术的加入会让设备更加方便和智能。

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