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脑电波走向消费应用,从人机接口到脑控接口

文章来源:《电子工程专辑》             作者:徐韬

    就算你能够同意“任何非常先进的技术,初看都近乎于魔术”,这句话被神念科技放在了公司网站的显着位置上,但“脑控”这种技术听起来还是比魔术还显得魔术。仅仅在脑子里想一想就能够控制电子装置或者机械设备,这无疑将人和机器之间的距离缩短到了最近,连所谓人机界面是否还有必要存在都成了一个问题。这就是为什幺当人们第一次走进跟脑控技术有关的公司时,都会迫不及待地希望试用他们的产品,体验一下用大脑意识实现控制是什幺感觉。

读懂脑电波

    2008年,比尔盖茨在接受英国广播公司(BBC)采访时曾表示:“人机互动模式在未来5年内将会有很大改观”,他预言电脑的键盘和鼠标将会在未来逐步会被更为自然、更具有直觉性的手段代替。盖茨的预言在大众消费市场上被苹果率先实现。这两年,脑波控制技术(Mind-control Technology)这种听起来颇像“特异功能”的人机交互方式开始悄悄冒头,或许有一天你根本不必通过语言对机器发出指令,而只需要不动声色地在头脑中想一想,便可达成相关任务。这种听起来十分玄妙的脑波控制技术,说白了其实并不深奥。

    19世纪末,德国生物学家汉斯伯格观察到电鳗自体会产生电流,这个现象启发了他,觉得人体也必然有类似现象发生,从而他发现了人脑中微弱的电流。而脑波的生理电位通常十分微弱,大约在5~30uV左右,属于0.5~60Hz的交流信号。此外,脑电会随着人的不同情绪与身心状态而改变,并且只有在人脑死亡后才会停止,所以通过获取脑电信号并加以解码分析,就能够获得一系列信息。人的大脑是由数以万计的针尖大小的神经交错构成的,神经相互作用时,脑电波模式就释放出这些神经元之间透露的思维信息。不同的神经活动会产生不同的脑波模式,不同的脑波模式会发出不同频率的脑电波,从而表现为不同的大脑状态。

    脑立方而人脑平均每天产生7万个想法,每一次神经活动时都会产生轻微的放电,放出的电通过脑电波技术(医学上称为脑电图)就可以测量得到。不过,单个神经产生的脑电很难隔着头皮测量。因此,对情绪状态的判断是根据许多神经共同放电产生的集体神经活动得来。最终,通过特定算法技术就能把这些具体情绪状态解读出来。当然,目前技术的水平还停留在读懂庞大信息流中情绪状态的层面,比如喜欢、不喜欢、专注等状态。经过一个世纪的实验,神经系统科学领域的专家们已经定义了大脑中控制具体活动的部位,比如人大脑前额处的皮质能够产生更高级的思维,人的情绪、精神状态及专注状态都受这个区域的控制,这个区域被称为大脑的FP1区域。正是因为大脑可以随状态而波动,并已被确定为集中在FP1区域,才使得人们对脑波的开发和运用不仅仅局限在医疗领域,把意念控制机器的可能性变成现实,让人们在娱乐、教育、健康等领域感受脑波的神奇和能量。 技术商业化之路人体具有四种类型的生物电,分别是心电、脑电、肌肉电以及眼电,其中以心电最为容易监测,而脑电由于受到质地坚硬致密的头骨包裹而极难被捕捉。脑电的强度比心电弱1000倍,加之人们生活中又存在诸多干扰源,这使得获取脑电信号就如同在高速运转的飞机引擎旁想要听清人说话一样困难。因此,对脑电进行监测一直是高级科学实验室的专利。可是,该如何在普通的消费环境中,实现对脑波的测量和解读呢?要在大众消费市场推广应用,医院里测量脑电波的方式,在头上涂满导电胶、装上十几个电极探头的检测方式显然过于理想化。类似神念科技这样公司的使命,正是让原本只用于医疗的脑波传感器技术进入大众消费市场,而非仅仅局限在医院里。就像电子血压计的家庭普及过程一样,脑控技术应用产品的民用化和商用化也需要更为简易的使用方法和相当长的市场培育期。在电子血压计出现之前,测量血压的主要途径是通过汞柱血压计,汞柱血压计不仅需要专业人士的听诊、病患双方的配合,还因为笨重而不便携带,这导致血压计一度难以进入家庭,而电子血压计凭借亲民的价格,通过简单易行、直白易懂的测量方式和结果显示,成为现代家庭的常用家电。脑波传感技术也面临着极其类似的问题,而其所面临的技术障碍则更高。除了此前提到的由于所有电气设备都会产生不同程度的干扰,脑电波测量必须在一个与外界十分隔离的环境中之外,为了提高脑电波信号的质量,传感器通常要使用医用凝胶以提高导电性。而大部分普通人家里都没有一间无任何照明和电子设备的房间,且大多数人也不愿意每次使用脑电波设备时都往头上涂一层湿乎乎的医用凝胶。

    由人机接口到脑控接口神念科技是全球第一家将复杂的脑电波监测技术集成为单芯片系统的技术提供商,它从2005年开始,花了将近4年研发出了第一块芯片,其用于第二代芯片的更新的时间不到两年;之后相隔不到1年,第三代芯片便推出了。更新换代速度的提高,使得应用脑控技术的产品数量也出现爆发式增长。它目前掌握的技术已经可以将庞大的检测仪缩小为一个指甲盖大小的传感器ASIC芯片,并植入MindReader耳机,用户把它放置在前额处,就可以检测到脑波信息,且不用任何凝胶,即便在嘈杂的环境中,准确性甚至可以达到专业降噪的96%。通过这款意念耳机,它就可以单向对大脑状态进行即时测量和信息反馈。这就为脑电波控制的商业化打下了技术基础。在技术应用领域,随着人机接口(HID)变得越来越多元化,用户不仅可以通过鼠标、键盘、USB、触摸屏与机器连接和互动,如今还可以通过脑控接口(BCI,Brain Control Interface)使大脑与机器进行沟通。而让脑波传感技术进入大众市场,更为重要的问题在于,它能为普通人做什幺?因为现有技术从人体脑电波中解析出来的信息,反映的是人们的情绪和精神的集中度,人类目前还达不到分析脑电波具体含义的程度,或者说,脑电波检测的是人们的思维状态而非具体内容,普通人需要经过一段时间的专业训练,才能适应并且使用来自自己脑部的信号。尽管业界都认可以脑机接口作为更为友好的界面,是人机交互进程中不可避免的下一站,但如何找到进入商用化、民用化的准确切口,是所有脑控技术厂商和内容提供者急切想知道的。就像3D电视在家用推广中,选择了从球赛节目入手一样,脑控技术也需要一个进入人们日常生活的入口。《纳斯达克》杂志在2011年为苹果列出了十大竞争对手,其中除了亚马逊、谷歌和Facebook这些巨无霸级的对手外,还有神念科技这家此前名不见经传的公司。而它被选入列的原因,就在于脑波控制这种新的人机交互方式正在向苹果公司所擅长的人机界面发出了挑战,可见尽管脑控技术刚露峥嵘,但其潜在的颠覆性,让产业玩家们都不敢小觑。从人机交互的进程看,在键盘鼠标控制、触摸屏书写、语音识别之后,脑波控制非常可能是未来人机交互的终极界面之一。如今,苹果、谷歌和Facebook及其各自产业链上的公司已经形成了互联网世界的移动终端、流量入口和社交网络的三大阵营,它们各自所坐拥的资源不尽相同,但看起来这几家大公司所提供的不同平台已经基本奠定了竞争格局。不过,一旦脑控作为人机互动的终极形式,势必会引发互联网世界“基础设施”的根本改变。iPhone 4S里加载的语音识别和搜索应用——Siri,就引来业界对谷歌搜索霸主地位可能不再的恐慌。同样,如果脑波控制一旦成为和触摸屏一样的普及应用时,产业既有各大势力必会重新洗牌,势必会波及其它行业以及人们的生活。虽然目前人机交互的演进过程仍处在语音识别的起步阶段,但很多公司已经开始布局代表未来的人机互动技术。在脑波控制领域,神念科技并不是孤独的前行者。Emotive和OCZ两家公司同样是行业内领先的技术提供商,但这两者选择的路径与神念科技不尽相同,“如果你只是想要一个玩具,那幺就没必要使用过分精密的脑控监测仪器;如果你是一个想和现实世界及多媒体进行互动的成年人,那幺你可能需要一个更为复杂的工作平台。”

    Emotive联合创始人谭乐在接受《福布斯》杂志采访时如是说。但现实是,Emotive在出售商品时会附送一瓶胶水,用于将监测仪器贴在头上,仅这一点,可能就会把一些用户挡在门外。不过,无论是走便携简洁路线的神念科技,还是坚持技术派的Emotive,都在为人机交互革命而努力。 脑电波走向消费类应用作为一家独立技术接口提供商,神念科技明白脑控技术目前的成熟度并不适合单qiang匹马打入大众消费市场,更现实的方法是,首先进入一些有着特殊需求的细分市场,并与成熟品牌进行跨界合作和技术加载。神念科技公司创始人CEO斯丹利•杨(Stanley Yang)从Xilinx辞去高管职位时,他和技术伙伴们就已经确定了商用化脑波产品的创业方向,2009年第一款玩具类产品意念小球推向市场,在美国供售出100多万套,是当年亚马逊圣诞节玩具销量冠军。目前,运用脑控技术的产品多围绕四个领域展开——教育产业、健康产业、娱乐产业和竞技体育领域。由于脑控技术可以将人类的情绪状态以直观的图形方式展现在PC上,并且人们通过一定时间的训练和锻炼,情绪状态能达到所需,所以那些对注意力保持有特别需求的领域会首先求助于脑波技术。比如美国、韩国和欧洲一些国家的专业射箭运动员就在使用脑控产品来练习大脑的精神集中度。对于射箭和射击运动员而言,肌肉、力量和身体素质并非获胜的首要因素,在竞技比赛中他们能否保持良好的定力和注意力才是制胜关键,因此相关的脑控产品会帮助分析运动员成绩好与坏时,其脑电波状态的差异,进而进行有针对性的反复训练,以提高成绩。除了针对专业运动员开发的脑控产品外,还有为广大瑜伽、禅修爱好者提供的辅助工具。以前禅修师傅并不能确切地知道弟子“悟”到什幺程度了,但现在师傅可以告诉弟子“悟”的状态是什幺样的,这就要依赖数字化的沟通渠道——脑电波的波形,以此“悟”的过程可能相应缩短。当然这些应用还相对小众,能否进入消费电子市场,成为普通人生活的一部分,才是脑控技术能否取得巨大成功的基础。你是否想过坐在电影院里的观众能决定电影的最终结局?“在3D眼镜中加入脑波监测仪,电影会有不同的情节发展方向,而这取决于当时大多数观众的情绪反应。”当神念科技大中华区总裁张彤讲到这项应用时,有些掩饰不住的兴奋,“现在国际大型电影厂商已经开始进行这项技术接触,如果谈判成功,今后制片方制作的电影都会有多版本的结局”。现在,英国一家小公司已经推出了相关的实验性产品——Mind Play,当用户在电脑上观看一些短片时,所佩戴的Mind Play会监测用户的大脑状态,从而在多种结局中选择播放用户期望看到的。除了这种实验性产品,还有相对成熟的已上市产品——海尔卡萨蒂脑力波电视,它试图把孩子们从大量鼠标点击游戏上带回到电视机前:孩子在玩电视中的脑力蚂蚁游戏时,必须提高专注力程度,能量条代表专注力集中程度,当能量条升高到一定程度时,蚂蚁才会向前推动食物,只有持续保持专注力在较高水平,蚂蚁最终才能冲关成功。这款云电视从去年8月份起批量生产,神念科技提供了背后的脑波技术支持方案,从确定创意到研发生产仅用了半年时间。去年2月的一天,海尔给神念科技大中华地区总裁张彤打去电话,邀约见面谈项目。“当时,我们进入中国只有2年时间,脑波耳机应用都在PC端,在海尔之前,还没有电视厂商有过这样的想法,我们也没想象过能够把核心技术产品融入到家电当中。”张彤说。见面时,张彤和技术人员向海尔展示了一些他们认为合适的产品,但海尔和他们一样,也没有明确的方向。这次头脑风暴过后,海尔提出想要把电视打造成健康游戏平台,并在去年8月17日敲定了合作方案。最终,双方共十几个工程师在短时间内研发出六款脑电波游戏,并完成了改变分辨率、接口及驱动等接入工程。通过接入神念科技的MindReader脑波耳机,检测到用户的脑电波信号,不同的脑波模式代表用户处于不同的思维状态,MindReader可以识别出用户所处的状态并将其转化成电视可以识别的数字信号。当人根据MindReader要求产生特定的脑电波时,就会不自觉地强化有意的大脑状态的神经群之间的联系。通过这样的学习和训练,海尔云电视的用户可以与电视进行脑波互动,在游戏的同时,还能帮助孩子训练专注能力和放松能力。对神念科技来说,与海尔的合作使其意识到,在处于家庭娱乐中心的智能电视市场,脑波技术有着非常大的开发空间。比如运用最新的心电检测技术进行个性化识别,将心电芯片嵌入遥控器中,使不同的人拿着遥控器的时候,遥控器都能识别出用户,进而列出相应的偏好节目单;根据人的情绪状态来改变电视上的电影情节,即让观众参与到电影或视频中,由观众来决定电影的情节或结局;再比如根据用户的大脑状态定义喜欢的节目,技术检测到人在看电视节目或广告时的状态,自动对这些节目进行打分,反馈给广告制作商或电影制片商参考等等。这些听起来天方夜谭般的畅想正在一项项被更多人接受、使用,并融入人们的日常生活中。神念科技在中国已开设了办公室,并对脑控产品进行了一系列本地化。为打开中国市场,神念科技选取的切口是教育产业——针对学龄儿童注意力不集中等问题,通过游戏方式进行训练与纠正。显然这一产品具有鲜明的中国特色,也让我们对他们的商业能力有深刻的印象。 未来之路事实上,做消费品并非神念科技生意模式。“不管是客户还是展会上的消费者,问我最多的问题就是‘是真的吗?’,脑波大众消费概念还是非常新的,加上同类型企业非常少,整个市场还需要培育。”张彤认为,在人们对于脑波技术认知度还不高的时候,兼顾研发生物传感芯片与开发消费产品两条路,能让市场更快热起来。行业更加成熟后,神念科技最终还是要回归芯片公司的轨道上。事实上,采取这种和厂商合作开发产品的方式,也为生物传感芯片在消费应用领域开拓出越来越多的可能性,除了PC、电视、汽车、教育、玩具等领域之外,还可以包括电影、健康、空调等等。 “神念科技的定位是希望作为一个独具自身优势、可以选择各种不同平台进行合作的接口供应商。” 张彤说。硅谷的风水轮流转和技术的风云变幻,让这些创新型小公司都想尽可能多选择一些平台进行合作,每种平台也都有其自身缺陷,这让神念更加希望能够保持独立性。另一方面,尽管已有不少脑波产品在移动终端出现,但技术对人脑信息的探索还处于浅层阶段,脑波、传感器芯片技术都还存在很大研发空间。张彤说,“未来我们希望MindReader不再是一个耳机戴在头上,而是成为一个有时尚感的创可贴大小的东西,更小更便携。”不过,神念科技的野心或许不仅是为已功成名就的平台提供创新应用,它没准更愿意走对了通向未来的大路——有一天能成为最自然的人机互动界面,帮助人类实现“我思即我行”。