更高精度、更低能耗、能處理更復雜任務的腦機接口系統出現了！2月17日，天津大學腦機海河實驗室和清華大學集成電路學院共同開發了一款基於憶阻器神經形態器件的新型無創演進腦機接口系統，並首次揭示了腦電發展與解碼器演化在腦機交互過程中的協同增強效應，成功實現了人腦對無人機的高效四自由度操控。相關成果已於近期在《自然·電子》上在線發表。

　　協同演進腦機接口框架

　　腦機接口能實現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“互學習”，進而促進腦機智能的協同演進，是突破腦機性能瓶頸的重點和難點。但目前腦機交互過程中大腦與機器的動態耦合機制尚未厘清，導致腦機之間的長時程互適應能力較弱，工作性能隨時間下降嚴重。

　　（a）腦-憶阻器交互式更新框架;（b）基於憶阻器腦電解碼的實時腦控無人機飛行

　　天津大學與清華大學研究團隊發現，腦電信號中的非平穩特性不僅來源於傳統觀點認為的背景腦電變異，而且與閉環腦機交互引導下的任務腦電演變密切相關。基於這一發現，團隊首次采取分為“機學習”環路和“腦學習”環路的“雙環路腦機協同演進框架”，並通過憶阻器神經形態器件構建了全新的腦機接口系統。在雙環路框架下，“機學習”環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更新，“腦學習”環路中的任務相關腦電特征在“決策-反饋”循環的引導下不斷正向演化。

　　相比於傳統純數字硬件方案，憶阻器新方案的歸一化解碼速度提高了2個數量級（百倍）以上，能耗降低了3個數量級（千分之一）以下，高效支橕了四自由度腦控無人機任務目標的成功實現。

　　在連續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動態變化，展現出了腦機協同演進的過程：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，還實現了約20%的准確率提昇。

　　（a）協同演進腦機解碼正確率較初始狀態提高20%；（b）任務相關腦電特征發生正向演化；（c）腦與憶阻器解碼器實現互適應

　　“這項研究首次提出了腦機協同演進的概念，並基於憶阻器神經形態器件完成了技術驗證，通過長時程大腦與憶阻器神經形態器件之間的信息交互初步實現了生物智能與機器智能的互適應、互學習，為未來實用型腦機接口系統提供了重要的理論基礎與技術支橕，也為腦機融合智能的發展開闢了新的方向。”國家高層次人纔計劃入選者、天津大學腦機海河實驗室許敏鵬教授表示，“我們這款系統未來計劃拓展到更多便攜式或可穿戴腦機接口設備中，服務於消費級、醫療級等各類智能人機交互實用場景。”

　　據了解，該研究由天津大學與清華大學團隊合作開展，天津大學腦機海河實驗室團隊完成協同演進腦機接口軟件系統設計與范式算法實現，清華大學集成電路學院團隊完成協同演進憶阻器神經形態器件硬件設計及憶阻器算法設計部署。清華大學博士畢業生（現為香港大學研究助理教授）劉正午、天津大學博士研究生梅傑為共同第一作者，天津大學許敏鵬教授、明東教授與清華大學唐建石副教授、吳華強教授為共同通信作者。

　　（光明日報全媒體記者董山峰 王藝釗）