李葉

看點

非侵入式腦機接口技術(shù) 剛?cè)狁詈锨夫?qū)動設(shè)計 意圖識別算法

BrainRobotics智能仿生手，是一款融合腦機接口技術(shù)與人工智能算法的高科技康復(fù)輔具，通過采集、處理人體神經(jīng)肌肉活動產(chǎn)生的肌電神經(jīng)電信號來辨識操控者的運動意圖，從而實現(xiàn)仿生手的直觀控制。為了實現(xiàn)更高的仿生性，BrainRobotics智能仿生手不滿足于傳統(tǒng)假手的單純外觀仿生，而是在外觀結(jié)構(gòu)、運動感知、直觀控制等方面實現(xiàn)了全面仿生，從而模擬人手的仿生神經(jīng)肌肉控制通路，構(gòu)建使用者大腦與手指運動間的直接聯(lián)系。

人手的自然運動非常復(fù)雜，因此，為肢殘用戶提供功能完善的智能仿生手成為了世界難題。

BrainRobotics智能仿生手正是在這樣的背景下打造的：傳統(tǒng)的美容或功能假肢提供的功能十分有限，并且傳統(tǒng)的功能假肢需要通過物理按鍵或搖晃假肢才能實現(xiàn)簡單的預(yù)定義手勢切換。與之相比，性價比更高的BrainRobotics智能仿生手融合了人工智能算法和腦機接口技術(shù)，更加靈活方便。

這種新的功能基于神經(jīng)肌肉信息感應(yīng)裝置，通過捕獲來自用戶殘留肢體的神經(jīng)肌肉活動信號，然后將其轉(zhuǎn)化為自然直覺的運動。因此，BrainRobotics智能仿生手能夠識別用戶試圖控制幻肢動作時的運動意圖，并將其轉(zhuǎn)化為仿生手的動作，從而達成直觀的控制感。通過錄入用戶試圖控制仿生手時的神經(jīng)肌肉活動信息，機器學(xué)習(xí)算法便能掌握用戶的神經(jīng)肌肉活動特點，生成個性化的模型。

2016年6月，由韓璧丞組織、哈佛MIT科學(xué)家主導(dǎo)的腦機接口項目“BrainRobotics”，獲得了 MassChallenge金獎。2019年1月，Br ainRob otic s智能仿生手獲2019年CE S創(chuàng)新發(fā)明獎。2019年1 2月，BrainRobotics智能仿生手被《時代》雜志評為年度百大最佳發(fā)明，并成為第一款登上《時代》周刊封面的智能仿生手。2020年5月，BrainRobotics智能仿生手獲得德國紅點獎最佳設(shè)計獎（Red Dot：Best of the Best）。在2022北京冬殘奧會上，BrainRobotics智能仿生手成功助力了殘疾火炬手傳遞圣火，相關(guān)話題還登上了微博熱搜，引發(fā)網(wǎng)友的廣泛關(guān)注。

《設(shè)計》BrainRobotics智能仿生手研發(fā)設(shè)計團隊

《設(shè)計》：是什么契機促使BrainCo研發(fā)BrainRobotics智能仿生手這款產(chǎn)品？

BrainRobotics智能仿生手研發(fā)設(shè)計團隊：我們曾經(jīng)有一位來自MIT的同事因?qū)W校實驗事故失去了右手，鑒于當時團隊已經(jīng)在底層的腦機接口技術(shù)上有了一定的積累，所以就希望為他做一只可以隨心而動的“手”。

當我們開始詳細調(diào)研殘疾人和輔具市場時，我們發(fā)現(xiàn)世界上存在這樣一個非常大的群體，他們因為先天或后天的原因失去了手，這令他們生活不便。當時沒有一款義肢能夠滿足他們補償手部功能的需求。那些義肢不是功能特別簡單，做簡單的開合動作，就是操作特別復(fù)雜，使用者需要很長時間的學(xué)習(xí)才能掌握。就像操控復(fù)雜的機器，而且操控體驗很差。這導(dǎo)致許多義肢在購買之后短時間內(nèi)就被棄用。在參加美國CES展會的時候，我們也看到了許多這樣的殘障人士，他們對一款靈巧的智能假肢有很強烈的需求。所以我們團隊就萌生了做一款通過用戶意圖控制的靈巧假手的想法，然后智能仿生手項目就成立了。

《設(shè)計》：在研發(fā)初期的調(diào)研中團隊發(fā)現(xiàn)了哪些用戶需求和痛點？

BrainRobotics智能仿生手研發(fā)設(shè)計團隊：最主要的痛點是如何控制一款功能復(fù)雜的仿生手。傳統(tǒng)的假肢產(chǎn)品通過開關(guān)切換控制，操控假肢就像操控復(fù)雜的機械一樣，需要學(xué)習(xí)和記憶切換這些開關(guān)的順序，比如動兩下肌肉是控制假手開合，動三下肌肉是控制食指張開等，學(xué)習(xí)時間長且操控體驗差。對于一些有操控速度要求的操作，比如彈琴、打字等，傳統(tǒng)的假肢產(chǎn)品完全無法勝任。

另一大痛點是拇指。據(jù)醫(yī)學(xué)統(tǒng)計，喪失拇指功能的手將喪失40%的手部功能，因此對拇指的功能要求相較其他手指更高。而拇指功能的實現(xiàn)很重要的一點在于拇指的展收功能，即讓拇指分別處于手掌的側(cè)面和手掌的正對面，這對于像捏卡片、握筆、使用筷子和握水杯、握扶手這種不同類型的動作轉(zhuǎn)變是非常有意義的。但是傳統(tǒng)的上肢假肢要么不具備拇指展收功能，要么只能用另一只健全的手來掰動拇指實現(xiàn)展收，嚴重影響了拇指的功能，也影響了整只手的功能。

《設(shè)計》：據(jù)介紹，BrainRobotics智能仿生手是第一款結(jié)合了腦機接口技術(shù)和人工智能算法、可以實現(xiàn)每根手指獨立運動的量產(chǎn)仿生手，請介紹一下非侵入式腦機接口技術(shù)及其在BrainRobotics智能仿生手中的應(yīng)用。

BrainRobotics智能仿生手研發(fā)設(shè)計團隊：“非侵入式腦機接口技術(shù)”是一個復(fù)合名詞，由“非侵入式”和“腦機接口技術(shù)”兩部分組成。其中“腦機接口技術(shù)”是一種新型人機交互技術(shù)，它試圖建立起大腦與機器之間的直接聯(lián)系，讓人們可以用自己的想法直接控制機器，而不需要語言、文字、鍵盤、鼠標或是手柄之類的輔助方法。

“非侵入式”描述了這種方法的實現(xiàn)手段，并不用做開顱手術(shù)，而是通過采集人體皮膚表面的生物信號，來解析出大腦的狀態(tài)，甚至可以在未來解析出意識和想法，從而實現(xiàn)對機器的控制。這種方法不入侵人體，所以稱為“非侵入式”方法。所以相對風(fēng)險較低，使用者容易接受，相關(guān)產(chǎn)品也更容易推廣。但是這種方法是隔著皮膚了解人體內(nèi)部情況，信息傳遞路徑長，所以在信息傳遞過程中存在信息衰減、噪聲混疊的問題。為了克服這些難題，非侵入式腦機接口在實現(xiàn)的過程中，要著重研究人機界面材料、信號采集放大、意圖識別算法等。

具體到BrainRobotics智能仿生手，我們需要利用非侵入式腦機接口技術(shù)獲得使用者的運動意圖;設(shè)計剛?cè)峤Y(jié)合的感應(yīng)電極，實現(xiàn)皮膚表面肌電神經(jīng)電信號的穩(wěn)定可靠采集;設(shè)計相應(yīng)信號采集放大電路，對采集到的信號進行處理;并設(shè)計運動意圖識別算法，對使用者想要控制仿生手手指動作的想法進行辨識。

《設(shè)計》：請介紹下BrainRobotics智能仿生手研發(fā)團隊的構(gòu)成及分工。

BrainRobotics智能仿生手研發(fā)設(shè)計團隊：我們的團隊是由一群畢業(yè)于海內(nèi)外頂尖高校的碩士、博士、博士后，資深工程師，以及若干名假肢體驗官組成的。這一群人夜以繼日地在一起共同打磨產(chǎn)品，才有了這樣一款兼具實用性與設(shè)計感，又能在商業(yè)模式上有突破，讓殘疾人花更少的錢就可以用上的智能產(chǎn)品。

《設(shè)計》：BrainRobotics智能仿生手從概念到原型用了多長時間？最具挑戰(zhàn)性的階段在哪個部分？團隊是如何攻克的？從概念產(chǎn)生至今，產(chǎn)品經(jīng)過了多少次迭代？

Brain Robotic s智能仿生手研發(fā)設(shè)計團隊：BrainRobotic s智能仿生手從概念到原型用了5 年的時間，在每個階段都有挑戰(zhàn)性難題。其中最有挑戰(zhàn)性的，也是大家最容易看到的，那就是如何采用非侵入式腦機接口技術(shù)實現(xiàn)運動意圖的識別。這涉及到一系列工作，包括如何設(shè)計電極以獲得穩(wěn)定可靠的信號，如何讓算法能夠從信號中捕捉到運動意圖對應(yīng)的典型特征。為了克服這些難題，團隊跨專業(yè)精誠協(xié)作，反復(fù)迭代。從概念產(chǎn)生至今，產(chǎn)品經(jīng)歷了5次大的整體迭代，在這些大的整體迭代之外，還伴隨著無數(shù)次小的局部迭代。比如產(chǎn)品構(gòu)成的一小部分的采樣電極，它的電極材料的配方和結(jié)構(gòu)設(shè)計就經(jīng)歷了上千次迭代。

《設(shè)計》：隨著社會文明程度的提高，弱勢群體日益受到關(guān)注，智能義肢產(chǎn)品的開發(fā)也漸多。BrainRobotics智能仿生手有哪些領(lǐng)先行業(yè)的創(chuàng)新設(shè)計、技術(shù)或?qū)＠?/p>

Brain Robotics智能仿生手研發(fā)設(shè)計團隊：Brain Robotics智能仿生手開創(chuàng)性地提出基于腦機接口技術(shù)的獨家商用仿生手智能交互系統(tǒng)?；谀X機接口技術(shù)，采用8枚非侵入式生物電感應(yīng)電極，檢測使用者皮下肌電神經(jīng)電信號，能精細識別使用者每根手指的運動意圖，用戶像控制自己的手一樣，精確地控制5 根手指的運動做出無限多的手勢。同時，我們?yōu)槠渖暾埩讼嚓P(guān)專利。

團隊通過分析人手運動譜，仿照人手肌骨結(jié)構(gòu)，采用剛?cè)狁詈锨夫?qū)動設(shè)計，在該驅(qū)動構(gòu)型的基礎(chǔ)上，加入6套位置、電流傳感器和2套姿態(tài)、加速度傳感器，可實現(xiàn)仿人抓取運動軌跡，以及對抓取力的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)仿人的抓取操作感知過程。

此外，團隊也獨家提出非侵入式腦機接口適配關(guān)鍵期理論，突破傳統(tǒng)假肢的適配理論，解決了仿生手棄用難題。傳統(tǒng)假肢手接受腔采用石膏成型工藝，匹配度不夠高，佩戴不夠舒適，加之傳統(tǒng)商用假肢手操控困難，導(dǎo)致傳統(tǒng)商用假肢手棄用率高，造成資源浪費。團隊采用3D掃描-打印工藝進行仿生手的快速適配，通過積極康復(fù)訓(xùn)練，提升該仿生手日常生活的實用性和使用者對仿生手的接納程度，從而降低仿生手棄用率。

《設(shè)計》：在仿生手的產(chǎn)品介紹中提到BrainRobotics智能仿生手的“性價比更高”，目前BrainRobotics智能仿生手的價格是一個什么水平？公司如何有效控制其造價？

BrainRobotics智能仿生手研發(fā)設(shè)計團隊：國際上同類型的智能假肢手的價格在50萬到70萬之間。BrainRobotics智能仿生手通過國產(chǎn)化替代、模塊化生產(chǎn)制造、集成產(chǎn)品開發(fā)等手段控制造價，成功將價格壓縮為同類型產(chǎn)品的五分之一到七分之一。

《設(shè)計》：設(shè)計一件康復(fù)輔具產(chǎn)品會面臨來自市場以及行業(yè)規(guī)章等哪些方面的挑戰(zhàn)？

Brain Robotics智能仿生手研發(fā)設(shè)計團隊：市場方面主要是購買的人群經(jīng)濟水平大多數(shù)較低，所以需要做到功能與價格的平衡，并通過與殘聯(lián)、慈善基金合作的方式降低用戶的購買成本。在行業(yè)規(guī)章方面，團隊需要學(xué)習(xí)貫徹康復(fù)輔具相關(guān)產(chǎn)品及服務(wù)的國家及行業(yè)標準。

《設(shè)計》：針對BrainRobotics智能仿生手的性能和設(shè)計，團隊還將進行哪些方面的優(yōu)化和改良？

BrainRobotics智能仿生手研發(fā)設(shè)計團隊：下一代智能仿生手會針對外觀和重量進行優(yōu)化，做到外觀更逼真、穿戴更舒適。更重要的是，下一代智能仿生手會加入感覺反饋功能，讓佩戴仿生手的用戶朋友能夠通過仿生手感受到世界的紋理和溫度。

《設(shè)計》：基于Brain Robotics智能仿生手的設(shè)計與技術(shù)，BrainCo還將深耕/拓展研發(fā)哪些腦機接口與人工智能算法相結(jié)合的產(chǎn)品？

BrainRobotics智能仿生手研發(fā)設(shè)計團隊：非常多。產(chǎn)品包括神經(jīng)功能障礙相關(guān)的疾病或不適，如孤獨癥、老年癡呆、睡眠障礙、抑郁癥等;運動功能障礙相關(guān)的中風(fēng)康復(fù)等;以及面向普通人的身心狀態(tài)調(diào)節(jié)，如正念舒壓。