有了这种新型传感器，脑控机也许能走向现实了？
天天汽车
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2023-05-21
如果把时光倒退至20年前，有人仅通过大脑控制就让一辆汽车行驶到其面前，这肯定、也只能会是科幻电影中的一个桥段。
然而，随着近些年人类在科技领域的疯狂探索，所谓的脑控机技术早已跳出科幻小说与电影，真实地呈现在人们面前。
2018年，日产汽车在北美CES展上首次亮相了脑控车B2V（Brainto-Vehicle）技术，让普罗大众通过汽车行业首次了解到原来世界上确实存在“脑控机”黑科技。
在现场演示中，你可以很清楚地看到整个B2V系统的工作方式与效果，它会从驾驶者头部佩戴的传感器采集脑电波数据，再由系统分析大脑的意图，提前0.2-0.5秒做出各种驾驶操作，而正是这0.2-0.5秒的提前量就能让交通事故的发生率大大降低。
除了提高驾驶安全，在日产的预想里，B2V技术未来还能与自动驾驶进行深度结合。比如当驾驶者想切换驾驶模式时，不用再花费时间释放或收起控制车辆的方向盘与脚踏板，只要戴上一个B2V头盔，“动动脑”就能在手动与自动驾驶中进行无缝切换，司机介入车辆操控将会异常轻松。
其实与日产具有类似想法的还有将特斯拉送上全球电动车市场宝座的埃隆·马斯克，不得不说他在科技探索方面确实具有相当强的前瞻意识。
马斯克在2016年就创立一个专门致力于脑机接口技术的医药研发公司——Neuralink。目前，该公司已掌握了全球市场最为先进的脑机接口技术之一。
然而，加入脑控机技术的研发团队虽然越来越多，技术也越来越成熟，但它似乎离走向现实应用仍存在着些许距离，这是为什么呢？
最主要的原因就是当人类作为这项技术的应用对象时，脑电信号非常不好采集！
简单来说，目前世界上实现脑机接口（BMI）的方式主要有三种，包括侵入式、非侵入式与介入式。
其中侵入式BMI获取脑电信号是准确度最高的，但它的安全性却为最低，因为它需要通过开颅等方式，将电极直接植入大脑皮层功能区附近。作为一种有创接入方式，它可能会对受试者的身体造成较大损伤，并出现炎性、排异之类的反应。
非侵入式BMI通过外设装备从头皮处采集脑电信号，它的最大优点是不用对受试者进行手术，安全性最高，但由于是隔着头皮采集到的信号，因此准确度和信噪都比较差。
介入式BMI的准确度介于上面二者之间，它虽然不需要对受试者进行开颅手术，但仍需要通过类似心脏支架的微创手术实现脑机连接，多多少少受试者的身体还是会存在一定的损伤风险。
目前无论是国内外，在BMI的接入技术上大部分研究团队都选择了对人体危害性最小的非侵入式，毕竟如果没病谁也不想无缘无故就给身体做个风险未知的创伤手术。
至于非入侵式BMI，大部分设备在技术方面都是由三个模块组成：一个外部感觉刺激模块、一个传感接口和一个神经信号处理单元。
在这三个模块中，传感接口是最为至关重要的部分，因为它是检测大脑最外层——大脑皮层产生的电活动的重要部件。
对人类等动物而言，大脑皮层本身负责包括运动功能在内的更高级别处理工作。然而对依赖于视觉刺激的BMI来说，传感接口需要检测的脑电波信号主要来源于大脑最后面枕叶部分的视觉皮层，这里会接收和处理从眼睛发出的信息。通过可穿戴的传感器，BMI会将这部分脑电图（EEG）电极进行记录并转换成指令。
就像我们在前面提到的，非侵入式BMI，虽然安全度高，但信号采集的准确度却并不算好。一方面因为本身就隔了一层头皮，信号传输并不直接。
另一方在于其依赖的生物传感器都存在一些固有缺陷。比如大部分团队使用的湿式传感器，它要依靠在头皮和头发上使用导电凝胶才能传输电信号，但也因为这种湿滑的接触，一旦穿戴传感器的人活动时，就有可能会导致传感器滑脱或移动，降低信号采集的准确度。
干式传感器虽然能作为一种可替代性方案，但其面临的挑战并不少，它们不但要解决导电性比湿式传感器差的问题，而且鉴于头部是圆形的，这种传感器可能也很难与头部保持足够的接触面。
不过，最近来自悉尼科技大学（UTS）的研究人员则通过开发出一种含有石墨烯的干式生物传感器解决了以上这些问题。
石墨烯是一种单原子厚度的碳原子层，以六边形晶格状排列，厚度上它比人类头发细了1000倍，但在韧性上它则比钢材强了200倍。
鉴于石墨烯的薄度和高导电性，它是制造干式生物传感器的绝佳材料。而且由于石墨烯在抗腐蚀和抗汗水效果方面也表现优秀，尤其适合作为头部外设传感器的应用材料。
研究人员发现，如果将石墨烯与硅结合在一起就可以制造出更为坚固的干式传感器。比如他们开发的新型干式传感器上面的石墨烯层厚度只有不到一纳米。
该研究的通讯作者Francesca Iacopi表示道：“通过使用先进的石墨烯材料，结合硅，我们能够克服腐蚀、耐用性以及皮肤接触阻力等问题，开发出可穿戴的干式传感器。”
在材料应用之外，研究人员也试验了不同的传感器图案，包括正方形、六边形、柱形和圆点，并发现六边形图案的传感器的皮肤阻抗为最低。然后他们用BMI测试了这种新型传感器。
他们将六边形图案的传感器放置在受试者头部后方的头皮上，以检测来自视觉皮层的脑电波。受试者戴上显示白色方块的现实增强（AR）眼镜，把注意力集中在一个特定的方块上，就会产生脑电波，并被生物传感器接收，然后解码器会将该信号转换成指令。
该研究的共同作者Chin-Teng Lin解释说，他们的技术可以在两秒钟内发出至少九个指令，这意味着在两秒时间内，操作者可以通过新型BMI在九种指令中任选一种。
在实验室外，澳大利亚陆军士兵也对石墨烯传感器BMI进行了现实世界的测试——用它来控制一只四条腿的机器狗。该设备可以支持机器人的免提控制，准确率高达94%。
Iacopi表示：“这种免提、无声技术可以在实验室环境之外的任何时间、任何地点使用。它的出现让诸如控制台、键盘、触摸屏和手势识别等传统控制界面变得多余。”
然而，在这些研究人员看来，目前石墨烯传感器BMI还并非他们设计的最终版本。他们仍需要进一步研究和测试，以便在可用石墨烯总面积、容纳头发的能力以及保持传感器与头皮接触的能力之间取得平衡。
总的来说，石墨烯传感器让脑控机技术的发展迈向了最有希望的一步。如果未来能够成功走到量产应用，它能为人类带来的好处多多，比如脑控机能让残疾人操作轮椅或假肢更为方便从容，让开车、控制机器人变得更加简单，至于在先进制造业、国防和航空航天领域，它自然也能发挥更广泛的效用。【iDailycar】
