虚拟现实技术与脑机接口的应用研究

在《脑机穿越》这本书的中文序中，有这样一段话。

“想象你生活在这样一个世界里：人们通过思想来操控电脑、驾驶汽车、与他人进行交流，不再需要笨重的键盘或液压方向盘……在这样的世界里，依靠身体动作或言语来表达意图已经变得毫无意义。你的想法会被有效而完美地转化为纳米工具的细微操作或者尖端机器人的复杂动作。不用动手输入一个字，也不用动口说出一个词，你就可以在网络上与世界任何地方的任何人进行交流。足不出户，你便能够体验到触摸‘遥远星球’表面是什么感觉。”

实际上，很多游戏爱好者与科幻迷每当提到虚拟现实技术，大家第一时间想到的就是脑机接口技术。为了实现完美的虚拟现实沉浸感，使用脑机接口的确是一种终极解决方案。这是因为无论使用何种设备和算法来模拟外界的环境刺激，或是向虚拟世界提供交互信号，都比不上直接让大脑和虚拟世界建立一种数字纽带来得直接和彻底。

顾名思义，脑机接口（Brain Computer Interface，BCI）就是大脑和计算机直接进行交互，有时候又被称为意识—机器交互，神经直连。脑机接口是人或者动物大脑和外部设备间建立的直接连接通道，又分为单向脑机接口和双向脑机接口。单向脑机接口只允许单向的信息通信，如只允许计算机接受大脑传来的命令，或者只允许计算机向大脑发送信号（如重建影像）。而双向脑机接口则允许大脑和外部计算机设备间实现双向的信息交换。

脑机接口技术的发展跟一项神经科学技术息息相关，那就是脑电图学（electroencephalography，EEG）。1924年，Hans Berger首次使用EEG技术记录了人类大脑的活动。Berger当时采用的技术很原始野蛮，他直接把银质的电线放到病患的头皮下面，想起来还有些恐怖。如今的EEG测量技术显然不需要这样。

虽然在诸多科幻小说里面对脑机接口都有过各种想象，但真正的BCI研究始于20世纪70年代，由加州大学洛杉矶分校在美国国家科学基金会的资助下开展，后来又成功获得了DARPA（美国国防部先进研究项目局）的资助。从脑机接口的研究开始，科学家重点关注的应用领域是如何使用神经义肢技术帮助残障人士重新获得听力、视力和行动能力。由于人脑具有非常强的可塑性，所以从义肢获取的信号经过适配后，可以由大脑的自然感应器或效应通道进行处理。在经过多年的动物实验后，20世纪90年代，人类首次成功完成了神经义肢设备的移植。

在短短几十年的时间里，脑机接口技术已经实现了一些重大的研究突破。Philip Kennedy和他的同事们通过将锥形神经电极植入猴子的大脑实现了首个皮层内脑机接口。1999年，加州大学伯克利分校的Yang Dan通过对神经元活动进行解码，重现了猫所看到的图像。来自日本的学者也实现了类似的成果。

杜克大学的知名巴西裔教授，《脑机接口》（Beyond Boundaries）一书的作者米格尔·尼科菜利斯在脑机接口的研究上取得了更令人瞩目的成果。米格尔在20世纪90年代先是对老鼠展开了实验，然后又在夜猴身上实现了重大突破。在对夜猴的神经元活动进行解码后，可以使用设备将夜猴的动作完全复制到机器人的手臂上。2000年，米格尔的团队已经可以将这一过程实时进行，甚至可以通过互联网来远程操控机器人的手臂。当然，米格尔所实现的脑机接口仍然属于单向脑机接口。米格尔团队进一步使用恒河猴替代了夜猴，并将单向脑机接口拓展成双向脑机接口，也就是让恒河猴可以感受到机器人手臂对外界物体的操控力反馈。(www.xing528.com)

米格尔团队的研究成果在2014年世界杯的开幕仪式上首次让世人为之震惊。在巴西世界杯的开幕仪式上，28岁的瘫痪青年茉莉亚诺·平托身穿米格尔团队打造的“机械战甲”，为本届世界杯开出第一球。这无疑是人类体育赛事上最具科技含量的一脚，也成了整个开幕式上最令人感动的一刻。这套“机械战甲”被命名为“Bra-Santos Dumont”，其中“Bra”代表巴西，“Santos Dumont”代表巴西历史上的知名发明家亚伯托·桑托斯·杜蒙，也是驾驶飞艇绕埃菲尔铁塔飞行一周的第一人。

“机械战甲”的学名是“外骨骼”，由米格尔团队领导的来自25个国家的150多名科学家联合打造，属于非营利项目“再行走计划”的研究成果之一。米格尔介绍说，这套“外骨骼”战甲由肢体辅助装置和神经传感系统组成，在头盔和身体上装有神经信号传感器。当平托的大脑发出指令后，脑电信号将无线传输到背包内的计算装置后，经过处理后转化为相应指令，并驱动液压装置完成开球动作。研究小组曾找了8名不同的瘫痪患者试验这套“战甲”，均成功行走。患者纷纷表示这是一种“真正行走的感觉”，这就意味着米格尔梦寐以求的双向脑机接口已经取得了实质意义上的突破。

当然，这套设备在短期内还无法投入商用阶段。一方面是技术还不够成熟，需要至少10年甚至20年的研发；另一方面则是设备的成本高达数万美元，而且重10千克。不过想想《明日边缘》里汤姆·汉克斯那套霸气十足的机械外骨骼，再看看《环太平洋》里威风凛凛的人类机甲战士，我们值得等待。

除了纯粹的科学研究，也有一些创业先锋在尝试如何将脑机接口技术应用于我们日常的生活中。例如，Neurosky（神念科技）的BrainLink可以采集大脑产生的生物电信号，并通过esense算法获取使用者的精神状态参数（专注度、放松度）等，实现基于脑电波的人机交互，或是俗称的意念控制。

当然，神念科技目前的所有产品都属于典型的“单向”脑机接口，即只能让计算机设备从大脑获取某些信息，而无法将信息通过脑机接口直接传达给大脑。

即便从纯科学研究的角度看，脑机接口技术都还处于十分早期的阶段。至于将脑机接口应用于虚拟现实领域，则需要更长的时间。从这个角度来看，人类离真正意义上虚拟现实时代的来临至少还有30年的时间。但终有一天，人类将迈进“脑联网”时代，期待我们能够见证这一天的到来。