「脑机接口礼服」长啥样?1024 个独立电极加定制芯片

(原标题:「脑机接口礼服」长啥样?1024 个独立电极,机器学习与定制芯片加持)

在被誉为是赛博朋克史诗的《攻壳机动队》中,全身“义体化”的公安9课队长草薙素子的形象令人难忘,电影中对于脑机接口技术与人类自我意识核心“Ghost”之间关系的探讨也让我们无限回味。

回归现实,在「宇宙网红」Elon Musk 的大力推广下,我们对脑机接口技术也不再陌生。

对于非植入式脑机接口而言,头戴电极可检测大脑信号,收集分析数据,发出相应指令,控制外部设备。

「脑机接口礼服」长啥样?1024 个独立电极加定制芯片

那么,如此硬核的装置只能摆在实验室里吗?并不!

来自奥地利约翰内斯·开普勒大学林茨分校的研究人员,联合医疗工程公司 G.tec 研发人员及时尚设计师 Anouk Wipprecht 就设计了一套特别的脑机接口装置——与其说是装置,不如说是礼服。

「脑机接口礼服」长啥样?1024 个独立电极加定制芯片

这套「礼服」有个直男但又形象的名字:Pangolin dress(翻译过来是“穿山甲连衣裙”)。

前不久,Pangolin dress 曾在奥地利电子艺术节(Ars Electronica Festival)上亮相。在素来密切关注艺术、科技和社会三者相互联系的奥地利电子艺术节上,这一设计堪称是艺术、能量采集与机器学习的一次美妙结合。

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艺术与科技美妙结合

那么,既是艺术展品,又涵盖尖端科技,Pangolin dress 具体有哪些特别之处呢?

1024个独立电极

据 IEEE 报道,Pangolin dress 共包含1024个独立的头戴电极(共64组,每组16个),可探测到大脑的电信号。收集到信号之后,所获取的数据将被组合、分析、转换。

比如说,当佩戴者决定主动移动一块肌肉时,这一动作会在大脑运动皮层中触发一种「局部活动模式」,这种模式是能被检测和识别到的。

G.tec 公司联合创始人 Christoph Guger 表示:

通过1024个独立电极通道,我们甚至可以获得单个手指的分辨率。这是非植入式脑机接口设备的电极通常无法做到的。

原因就在于,一般情况下脑机接口仅仅有64个电极通道,只能用来区分运动区域——例如,身体刚刚作出的动作是由左臂还是右臂完成。

机器学习识别身体动作

实际上,由于每个佩戴者的大脑存在差异,要想准确识别细节,还需对系统进行校准。

为此,研究团队的设计是:通过机器学习识别与不同动作相关的模式。

简单来讲,系统实际上并不要求佩戴者移动任何特定的肌肉,佩戴者只需想象执行一个动作。

背后的逻辑是,大脑想象一个动作往往比实际执行更花时间,产生的信号也更持久,所以机器学习起来就更容易。

可以说,这种技术完全适用于瘫痪患者。在此基础之上,Christoph Guger 甚至有个想法:未来可以设计一种用脑机接口控制的外骨骼装置,造福瘫痪群体。

神经活动可视化

数据一经组合、分析、转换,Pangolin dress 就会出现颜色变换。也就是说,穿上 Pangolin dress 后,大脑神经活动将在身体上以可视化的方式呈现。

令人眼前一亮的是,Pangolin dress 还可以通过不同颜色反映佩戴者所处的精神状态,比如紧张(白色)、平静(蓝色)、沉思(紫色)等等。可见,这已经不仅仅是意念控制设备了,更像是设备反映意念。

而这种设计的背后正是包含了32个 Neopixel LED 的阵列和32个伺服驱动秤(servo-driven scales)。

「脑机接口礼服」长啥样?1024 个独立电极加定制芯片

单通道定制芯片

值得关注的是,研究人员设计了连接到每个电极的定制芯片——按 IEEE 的话说,这是最主要的技术进步。

具体而言,这种定制芯片为单通道芯片,侧面尺寸1.6毫米,集成了一个放大器、一个模数转换器(ADC)和一个数字信号处理器,功耗小于5毫瓦。

由于功耗小,这种芯片可通过附近的基站,以非接触式射频识别芯片的方式驱动,并以无线方式返回数据。据介绍:

通过无线方式给供电芯片并与之通信,穿戴者不再被拴在以往的有线测试系统上,这种设计还可减少传统无线系统中电池的体积和重量。

即便设计了定制芯片,团队也没有一味追求奇异的制造技术。Pangolin dress 项目负责人、奥地利约翰内斯·开普勒大学林茨分校团队的 Thomas Faseth 解释道:

我们的原则是控制技术成本,团队所使用的是180纳米制造技术,但我们还通过一些先进的电路设计技巧实现了更高的性能。

值得一提的是,Pangolin dress 中,每组电极和芯片都被安装在一块瓷砖上。从下图可以看出,穿戴者的头部完全被瓷砖覆盖,各个连接了天线。

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