天津大學與清華大學聯(lián)合發(fā)布無創(chuàng)演進腦機接口新成果

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（通訊員 焦德芳 記者 陳欣然）更高精度、更低能耗、能處理更復雜任務的腦機接口系統(tǒng)出現(xiàn)了！新學期伊始，天津大學腦機海河實驗室和清華大學集成電路學院強強聯(lián)手，開發(fā)了一款基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件的新型無創(chuàng)演進腦機接口系統(tǒng)。這項研究首次揭示了腦電發(fā)展與解碼器演化在腦機交互過程中的協(xié)同增強效應，成功實現(xiàn)了人腦對無人機的高效四自由度操控。相關成果已在線發(fā)表于國際權威期刊《自然·電子》。

腦機接口能實現(xiàn)大腦與機器直接信息交流，促進生物智能與機器智能融合，被公認為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(xiàn)“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。

天津大學與清華大學研究團隊首次提出了“雙環(huán)路腦機協(xié)同演進框架”，并通過憶阻器神經(jīng)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(shù)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(jīng)形態(tài)器件實現(xiàn)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。相比于傳統(tǒng)純數(shù)字硬件方案，憶阻器新方案的歸一化解碼速度提高了2個數(shù)量級（百倍）以上，能耗降低了3個數(shù)量級（千分之一）以下，高效支撐了四自由度腦控無人機任務目標的成功實現(xiàn)。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(xiàn)動態(tài)變化，呈現(xiàn)出腦機協(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，其準確率還提升了約20%。

“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(jīng)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(jīng)形態(tài)器件之間的信息交互初步實現(xiàn)了生物智能與機器智能的互適應、互學習，為研發(fā)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?！眹腋邔哟稳瞬庞媱澣脒x者、天津大學腦機海河實驗室許敏鵬教授說。