人腦連接電腦意念化為行動

試想像安坐家中，單靠意念就能開關電視、調校燈光或在手機輸入文字，你想擁有這種「超能力」嗎?科學家數十年來開發連接人腦和電腦的系統(簡稱「腦機接口」)。澳門大學有研究團隊開發了多種腦機接口，並憑其研究成果在國際和全國性的腦控打字比賽上奪冠，更創下世界記錄。

形式多樣的讀心術

澳大電機及電腦工程系、認知與腦科學研究中心副教授萬峰說，一些企業近年在美國和澳洲等地開展臨床試驗，將芯片植入大腦，在一定程度上識別用家想法，從而控制電腦或機械裝置，例如使殘疾人士能操控義肢。「這種方法雖然較為高效，但要在腦部動手術，有時甚至要在髗骨鑽洞植入芯片，風險甚高。」

因此，很多科學家研究毋須動手術就能使用的非入侵式腦機接口，例如裝有電極、能夠偵測腦電波的頭套。萬教授說:「以腦控打字為例，我們可在電腦熒幕顯示數個彩色方格，每格均有一個英文字母，並以特定的頻率重複閃爍。我們注視其中一個方格時，大腦會產生與方格閃爍相同頻率或倍數頻率的腦電活動，頭套只要偵測出相關的腦電訊息，即『穩態視覺誘發電位』，就能指令電腦輸出對應的字母。」

腦控打字世界記錄

萬教授研究基於不同類型的腦機接口超過10年，不斷提出新的算法，加速人與電腦的連接，多項成果見於領域重要學術期刊。他還帶領學生與香港大學的研究人員合作參與大型賽事。在2019世界機器人大會腦控機器人大賽暨第三屆中國腦機接口比賽，澳大與港大組成兩支聯隊參賽，兩隊隊長均為澳大電機及電腦工程系學生。其中一支聯隊獲得技術賽綜合成績總冠軍及特等獎、「基於視覺誘發電位」和「運動想像」的腦機接口項目賽冠軍及一等獎，並且創下腦控打字最快的世界記錄，輸入一個英文字母平均只需0.4秒。

在2020年同一個賽事，澳大-港大聯隊在技術賽中蟬聯全場總冠軍及特等獎，同時獲得「基於事件誘發腦電」的腦機接口系統單項賽冠軍，並在技術錦標賽中的七個單項比賽中獲得四項第一。

結合人工智能與腦機接口

萬教授指出，近年來腦機接口性能雖然不斷提升，但有關技術仍不足以用作大規模的商業使用。「例如，一大挑戰是人腦之間差異可以很大，同一台裝備未必人人適用。即使只有一個用家，其腦部的狀態也會不時變化，因此裝置每次啟用前都要花不少時間『校準』，無法『即戴即用』。」

有見及此，萬教授團隊運用遷移學習方法，即利用以其他用家過往產生的數據訓練而成的深度學習模型，令裝置更快適應當前的用家。他們也在開發即時因應腦部變化而更改處理腦電波數據的方法，以及提出利用「神經反饋訓練」調控用家的腦活動，令他們使用腦機接口時更有效率。

此外，長時間透過顯示閃爍方格或類似方法來刺激腦部，難免令人視覺疲倦。萬教授率先關注到用家視覺疲倦的問題，他的團隊於是開發了一些算法，使裝置能按腦部狀態的轉變調整熒幕上的視覺刺激，減少用戶的視覺疲勞和精神負擔。

萬教授指出，使用基於「穩態視覺誘發電位」的腦機接口時，頭套上有多個電極偵測腦電波，電腦需要整合來自不同電極的訊號，期間需要以「空間濾波算法」來強化與「穩態視覺誘發電位」有關的腦電訊號。他的團隊因此提出了一個理論框架，用於系統地分析近年流行的近20類「空間過濾算法」，並以這個理論框架為基礎發展了三款新的算法，提升腦控打字的速度。

腦機接口技術影響深遠

萬教授相信，腦機接口將會對我們的生活和工作帶來翻天覆地的變化，令我們能夠有如在科幻電影般用意念處理不同事情。例如一些嚴重病患者和傷殘人士也能重拾自主生活的能力，甚至太空人也能藉腦機接口更高效地執行複雜的任務。

萬教授的團隊正在加緊開發更高效、能夠「即戴即用」的腦機接口，及利用腦機接口的「寫心術」以改善增強腦功能，方向包括:可以自主控制的異步系統;跨協議、跨設備平台、跨用家及時間等的泛用技術;領域知識與深度學習結合的方法先進算法;運用神經反饋以治療腦疾病或提升學習能力等。「我們透過發展更好的腦機接口技術，以期實現人與機器的無縫結合及雙向閉環調控。」

文 / 葉浩男
圖 / 何杰平，部分由受訪者提供

來源：《澳大新語》第26期