腦機(jī)接口新進(jìn)展！只憑意念，操縱機(jī)器移動(dòng)、拿取物體成為現(xiàn)實(shí)

大數(shù)據(jù)文摘轉(zhuǎn)載自學(xué)術(shù)頭條

撰文：吳婷婷
編審：寇建超
排版：李雪薇

在科幻電影《X 戰(zhàn)警》中，Professor X 能以意念控制人類，每當(dāng)你看到這一場(chǎng)景時(shí)，是不是特別羨慕不已、連做夢(mèng)都想擁有這樣的超能力呢？

如今，也許機(jī)會(huì)來(lái)了——你可以先從用意念控制“機(jī)器人”開始。

近日，來(lái)自洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）、得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（UT）的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，就開發(fā)了一種可以僅借助人類大腦發(fā)出的電信號(hào)就能控制機(jī)器人的強(qiáng)化學(xué)習(xí)系統(tǒng)——無(wú)需任何語(yǔ)音控制或觸控功能，使用者只需要簡(jiǎn)單地“想一想”，就可以操控機(jī)器人完成移動(dòng)、拿取物體等任務(wù)。

據(jù)論文描述，這項(xiàng)基于腦機(jī)接口的研究，目前主要針對(duì)癱瘓患者，可以讓機(jī)器人更加準(zhǔn)確、快捷地輔助癱瘓患者的正常生活，以提高他們身體的靈活性。

相關(guān)研究論文以“Customizing skills for assistive robotic manipulators, an inverse reinforcement learning approach with error-related potentials”為題，已發(fā)表在 Nature 子刊 Communications Biology 上。

多年來(lái)，科學(xué)家們致力于開發(fā)一種可以輔助患者控制身體的系統(tǒng)，以幫助癱瘓患者完成日常生活必需的活動(dòng)。

在某種意義上，智能機(jī)器人的出現(xiàn)可以幫助癱瘓患者恢復(fù)一定的身體靈活性，因?yàn)樗麄兛梢圆僮鳈C(jī)器人來(lái)代替自己完成任務(wù)。

然而，目前的輔助設(shè)備一部分僅限于通過(guò)攝像頭等裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，控制權(quán)并非在癱瘓患者自己這邊。另一方面，即使是癱瘓患者掌握避障選擇權(quán)，也都是基于語(yǔ)音或操作控制面板來(lái)滿足需求，普適性并不高。

為了解決這一問題，此次研究團(tuán)隊(duì)希望首先解決“機(jī)器人規(guī)避障礙”的問題。因?yàn)榛颊邆兊乃腥粘；顒?dòng)都會(huì)涉及這一點(diǎn)，如果沒有一個(gè)好的避障系統(tǒng)，對(duì)患者來(lái)說(shuō)，機(jī)器人就沒有了輔助意義。

因此，研究人員從他們幾年前開發(fā)出的機(jī)械臂著手，該機(jī)械臂可以來(lái)回移動(dòng)，不斷實(shí)時(shí)定位它面前的物體，并繞過(guò)移動(dòng)路徑上的障礙物。

論文通訊作者之一、EPFL 學(xué)習(xí)算法與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人 Aude Billard 教授說(shuō)：“在此次研究中，我們不僅對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了編程以避開障礙物，而且選擇了一些其他更難的任務(wù)，例如在桌子上放一個(gè)裝滿水的杯子，然后要求機(jī)器人避開水杯、將目標(biāo)物體拿到指定位置。”

圖 | 機(jī)械臂避障示意圖。（a）機(jī)械臂原本的移動(dòng)路徑；（b）機(jī)械臂完成更難任務(wù)時(shí)的移動(dòng)路徑；（c、d）患者使用控制面板上下左右操縱機(jī)械臂

然而，這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

因?yàn)槠鸪?，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)選擇將物體移到較遠(yuǎn)的地方，從而清理出一條對(duì)某些障礙物來(lái)說(shuō)較寬的路徑。但問題在于，這條路徑對(duì)其他大點(diǎn)的物體來(lái)說(shuō)不夠?qū)挘矣袝r(shí)移動(dòng)的距離也不夠遠(yuǎn)。

那么，能不能在患者的腦海與機(jī)器系統(tǒng)之間建立某種連接，來(lái)真正實(shí)現(xiàn)“意念控制”以達(dá)到更完美的避障效果呢？

要實(shí)現(xiàn)“意念控制”，首先需要設(shè)計(jì)出一種算法，該算法可以完全根據(jù)患者腦海中的想法來(lái)調(diào)整機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)。于是，工程師們?yōu)榛颊叽魃吓溆须姌O的頭罩，該頭罩可以對(duì)患者的大腦活動(dòng)進(jìn)行腦電圖 (EEG) 掃描，一旦出現(xiàn)異常的電信號(hào)，就會(huì)對(duì)機(jī)器人的行動(dòng)產(chǎn)生影響。

當(dāng)機(jī)器人按照設(shè)定的 AI 程序進(jìn)行避障時(shí)，患者所唯一需要做的就是看著機(jī)器人。如果機(jī)器人做出了不正確的動(dòng)作，患者的大腦會(huì)通過(guò)一種清晰可辨的電信號(hào)發(fā)出“錯(cuò)誤信息”的警告，就好像在對(duì)機(jī)器人說(shuō)“No”。

一旦接收該信號(hào)，機(jī)器人就會(huì)停止當(dāng)前動(dòng)作。但實(shí)際上，它并不能確切地“理解”問題出在哪里。例如，自己當(dāng)前究竟是離障礙物太近還是太遠(yuǎn)？

因此，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種基于逆向強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法的算法，來(lái)幫助機(jī)器人去進(jìn)行“推理”，以找到正確答案。

首先，錯(cuò)誤信息會(huì)被輸入到算法中，計(jì)算出患者想要什么以及機(jī)器人應(yīng)當(dāng)采取什么行動(dòng)。這實(shí)際上是通過(guò)試錯(cuò)過(guò)程來(lái)完成的，也就是說(shuō)，機(jī)器人會(huì)開始嘗試不同的動(dòng)作，看看哪個(gè)動(dòng)作是正確的。這個(gè)過(guò)程并不會(huì)花費(fèi)較多時(shí)間，機(jī)器人通常只需要嘗試三到五次就能找出正確的反應(yīng)并執(zhí)行患者的愿望。

圖 | （左）機(jī)器原本生成的避障軌跡，紅色區(qū)域表示可能出錯(cuò)的路徑；（右）經(jīng)過(guò)患者大腦糾正后的避障路徑

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員以機(jī)械臂拾取、放置、避開物品等任務(wù)為例，并在受試者身上驗(yàn)證了該方法。

此外，用戶還能夠訓(xùn)練機(jī)器人控制器來(lái)調(diào)整其自動(dòng)接近障礙物的方式，從而生成個(gè)性化的機(jī)器人活動(dòng)軌跡。

不過(guò)，該技術(shù)也存在一定局限性，正如論文通訊作者之一、EPFL 腦機(jī)接口實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人 José del R. Millán 教授所說(shuō)：“此次開發(fā)的機(jī)器人AI程序可以快速進(jìn)行學(xué)習(xí)，但你必須在它犯錯(cuò)時(shí)用意念告訴它，只有這樣，它才能迅速糾正當(dāng)前的行為。”

研究團(tuán)隊(duì)也表示：“目前，我們面臨的最大技術(shù)挑戰(zhàn)之一就是開發(fā)出更加智能、準(zhǔn)確的錯(cuò)誤信號(hào)檢測(cè)技術(shù)?！?br>
但不可否認(rèn)的是，此次研究已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)了“直接依靠腦電波控制機(jī)器人”。實(shí)際上，僅僅在中國(guó)，平均每 1000 人中就有一位脊髓損傷患者，因此這項(xiàng)研究成果無(wú)疑為這些患者帶來(lái)巨大希望，讓他們不需要語(yǔ)音控制或觸摸功能就能控制機(jī)械系統(tǒng)，在最大限度上回歸正常生活。

此外，研究人員還表示，希望最終使用此套算法系統(tǒng)來(lái)控制輪椅。畢竟對(duì)于患者來(lái)說(shuō)，輪椅就是他們的四肢，“盡管目前仍有許多工程困難需要克服，但是如果實(shí)現(xiàn)了意念控制輪椅，那才是真正意義上從禁錮的身體中解脫出來(lái)?！?br>
參考資料：
https://www.nature.com/articles/s42003-021-02891-8
https://techxplore.com/news/2021-12-mind-controlled-robots-closer.html

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