被華為刷屏的腦機(jī)接口芯片，有多前沿？

作者：九林

最近，華為最新公布的腦機(jī)接口芯片專(zhuān)利刷屏了朋友圈。

據(jù)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站，一份名為“控制刺激器的方法、刺激器、腦機(jī)接口系統(tǒng)和芯片”的專(zhuān)利公布在國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站，專(zhuān)利發(fā)明人為華為技術(shù)有限公司；該專(zhuān)利提供了一種控制刺激器的方法、刺激器、腦機(jī)接口系統(tǒng)和芯片。

本公開(kāi)的實(shí)施例提供了一種控制刺激器的方法、刺激器、腦機(jī)接口系統(tǒng)和芯片。并且這并不是華為首次公開(kāi)腦機(jī)接口的相關(guān)專(zhuān)利。在去年6月，在2023年6月，華為還公布過(guò)一項(xiàng)名為“一種腦機(jī)接口裝置和信息獲取方法”的專(zhuān)利。

?01、腦機(jī)接口是未來(lái)新賽道

前段時(shí)間，工業(yè)和信息化部副部長(zhǎng)王江平表示，要前瞻布局未來(lái)產(chǎn)業(yè)，重點(diǎn)圍繞原子級(jí)制造、腦機(jī)接口、6G等新領(lǐng)域新賽道，發(fā)展壯大獨(dú)角獸企業(yè)。實(shí)際上，今年7月工信部就提出了腦機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)的籌建方案，將開(kāi)展腦機(jī)接口在醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試規(guī)范的制修訂工作。隨后，腦機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)相繼立項(xiàng)。就在10月8日，國(guó)家藥監(jiān)局發(fā)布通知，批準(zhǔn)《采用腦機(jī)接口技術(shù)的醫(yī)療器械 術(shù)語(yǔ)及定義》和《采用腦機(jī)接口技術(shù)的醫(yī)療器械 具備閉環(huán)功能的植入式神經(jīng)刺激器感知與響應(yīng)性能測(cè)試方法》兩項(xiàng)醫(yī)療器械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂項(xiàng)目立項(xiàng)。

10月9日，摩根士丹利發(fā)布的研報(bào)預(yù)測(cè)，腦機(jī)接口這顆科技界的新星，有望在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，可能成為未來(lái)醫(yī)療技術(shù)中的重要突破，為神經(jīng)類(lèi)疾病患者提供新的治療方式，并帶來(lái)4000億美元的市場(chǎng)機(jī)遇。

腦機(jī)接口已經(jīng)逐步成為未來(lái)的新賽道。

所謂腦機(jī)接口（BCI），是在人腦與計(jì)算機(jī)或其它電子設(shè)備之間建立的直接交流和控制通道。通過(guò)這種通道，一方面用戶(hù)可以直接通過(guò)大腦活動(dòng)來(lái)表達(dá)思想或操控設(shè)備；另一方面，外部設(shè)備則不斷地給大腦發(fā)送各種反饋信息，讓大腦及時(shí)調(diào)整控制策略，維持整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

腦機(jī)接口芯片則是一種專(zhuān)門(mén)用于腦機(jī)接口系統(tǒng)的芯片。從功能角度來(lái)看，它能夠采集大腦產(chǎn)生的電信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、數(shù)字化處理等操作，以便準(zhǔn)確獲取大腦活動(dòng)的特征信息。同時(shí)，它也可以將外部設(shè)備的指令信號(hào)轉(zhuǎn)化為大腦能夠理解的刺激信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦的反饋與調(diào)控。

腦機(jī)接口芯片起源于二十世紀(jì)20年代，至1973年腦機(jī)接口概念被正式提出，腦機(jī)接口芯片研究至今已有50多年。腦機(jī)接口芯片的發(fā)展主要分為四個(gè)階段：

一是早期探索階段，1924年德國(guó)精神科醫(yī)生漢斯?貝格爾發(fā)現(xiàn)腦電波存在；

二是技術(shù)奠基階段，1973年“腦機(jī)接口”成為學(xué)術(shù)詞匯；

三是實(shí)驗(yàn)突破階段，1998年埃默里大學(xué)研究人員菲利普·肯尼迪首次將腦機(jī)接口裝備植入人體內(nèi)；

四是快速發(fā)展階段，模擬海馬體功能的神經(jīng)芯片研制成功，多通道芯片實(shí)現(xiàn)突破，人類(lèi)首次接受腦機(jī)接口芯片的植入。

?02腦機(jī)接口應(yīng)用如何？

目前，腦機(jī)接口可大致分為侵入式和非侵入式兩類(lèi)技術(shù)路徑。侵入式、半侵入式腦機(jī)接口技術(shù)主要運(yùn)用于醫(yī)療臨床場(chǎng)景，非侵入式腦機(jī)接口主要面向可穿戴設(shè)備等消費(fèi)場(chǎng)景。清華團(tuán)隊(duì)公開(kāi)兩例患者植入

去年10月，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院洪波教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)研發(fā)的無(wú)線微創(chuàng)植入腦機(jī)接口NEO（Neural Electronic Opportunity），在宣武醫(yī)院成功進(jìn)行首例臨床植入試驗(yàn)。宣武醫(yī)院院長(zhǎng)趙國(guó)光、神經(jīng)外科主任單永治團(tuán)隊(duì)主持手術(shù)規(guī)劃及植入手術(shù)。

到了12月洪波教授團(tuán)隊(duì)再次聯(lián)合天壇醫(yī)院賈旺主任團(tuán)隊(duì)成功進(jìn)行第二例臨床植入試驗(yàn)。兩枚硬幣大小的腦機(jī)接口處理器植入高位截癱患者顱骨中，成功采集感覺(jué)運(yùn)動(dòng)腦區(qū)神經(jīng)信號(hào)。

據(jù)了解，該患者在三個(gè)月的居家腦機(jī)接口康復(fù)訓(xùn)練后，可通過(guò)腦電活動(dòng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)手套，實(shí)現(xiàn)自主喝水等腦控功能，抓握解碼準(zhǔn)確率超過(guò)90%。

洪波將他們植入的設(shè)備命名為“無(wú)線微創(chuàng)植入腦機(jī)接口NEO系統(tǒng)”，該系統(tǒng)采用了近場(chǎng)無(wú)線供電和通信技術(shù)。為了盡可能實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)，整個(gè)系統(tǒng)和集成了300多個(gè)零部件的體內(nèi)機(jī)，僅有兩個(gè)1元硬幣大小，“這里面要解決非常復(fù)雜的工程問(wèn)題”。

馬斯克已經(jīng)將腦機(jī)接口芯片植入人類(lèi)大腦

國(guó)際方面也同時(shí)在布局研究腦機(jī)接口。其中，馬斯克旗下的腦機(jī)接口公司Neuralink備受關(guān)注。

Neuralink成立于2016年，現(xiàn)擁有100多名員工，旨在通過(guò)手術(shù)向大腦中植入計(jì)算機(jī)芯片，將人類(lèi)大腦和電子設(shè)備相連，再利用電流讓計(jì)算機(jī)和腦細(xì)胞產(chǎn)生“互動(dòng)”，最終使癱瘓患者恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能，治愈帕金森病、阿爾茨海默病等腦部疾病，以及幫助恢復(fù)失明患者視力等。

今年1月，馬斯克在旗下社交平臺(tái)X（前推特）上宣布，人類(lèi)接受了Neuralink的植入，目前恢復(fù)良好。初步結(jié)果顯示，神經(jīng)元尖峰檢測(cè)很有希望。

隨后馬斯克補(bǔ)充說(shuō)，“只需思考即可控制你的手機(jī)或計(jì)算機(jī)，并通過(guò)它們來(lái)控制幾乎任何設(shè)備。最初的使用者將是那些失去四肢的人?？梢韵胂笠幌?，如果史蒂芬·霍金的溝通速度比打字員或拍賣(mài)師更快。這就是我們的目標(biāo)?！辈贿^(guò)，僅一個(gè)月后，測(cè)試者發(fā)現(xiàn)效果不佳，因?yàn)樵S多連接大腦的細(xì)線從植入物中脫落，導(dǎo)致可測(cè)量大腦信號(hào)的電極數(shù)量急劇減少。Neuralink的第二位患者在8月也接受了植入BCI，Neuralink稱(chēng)，沒(méi)有出現(xiàn)線回縮的跡象。

Neuralink的BCI名為T(mén)elepathy。Telepathy是一枚硬幣大小的電子集線器，被放置于接受者顱骨中的一個(gè)洞里。從這個(gè)中心出發(fā)，手術(shù)機(jī)器人將64根柔性線穿過(guò)大腦周?chē)囊后w和膜，插入控制運(yùn)動(dòng)的大腦區(qū)域——運(yùn)動(dòng)皮層。Neuralink開(kāi)發(fā)的最新版本的無(wú)線腦機(jī)接口設(shè)備支持高達(dá)1024個(gè)通道，這意味著它可以同時(shí)記錄和處理來(lái)自大腦的1024個(gè)不同位置的信號(hào)。

埃隆·馬斯克表示，第二個(gè)BCI工作良好，1000多個(gè)電極中約有400個(gè)正在提供來(lái)自受體大腦的信號(hào)。目前，已經(jīng)有1000多名四肢癱瘓的患者愿意接受Neuralink的試驗(yàn)，但有資格參加這項(xiàng)研究的患者不到100人。該公司計(jì)劃到2030年將為超過(guò)2.2萬(wàn)人植入芯片。

瑞士腦機(jī)接口芯片意識(shí)轉(zhuǎn)文本，準(zhǔn)確率高達(dá)91%

今年8月，士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的科研團(tuán)隊(duì)宣布，在腦機(jī)接口（BMI）技術(shù)方面取得重大進(jìn)展，他們成功開(kāi)發(fā)出名為MiBMI的超小型芯片，這款芯片僅8平方毫米。MiBMI在將腦信號(hào)轉(zhuǎn)化為文本輸出的測(cè)試中表現(xiàn)出色，準(zhǔn)確率高達(dá)91%，為運(yùn)動(dòng)障礙患者提供了全新的溝通方式。

與Neuralink等公司開(kāi)發(fā)的大型腦機(jī)接口設(shè)備相比，MiBMI無(wú)需依賴(lài)外部設(shè)備的應(yīng)用程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，它擁有完全集成的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，這一特點(diǎn)使其在便攜性和使用便捷性上更具優(yōu)勢(shì)。

?03腦機(jī)接口，中國(guó)加速

典型的腦機(jī)接口系統(tǒng)分四個(gè)步驟，即采集腦電信號(hào)、分析解碼腦電信號(hào)、利用解碼的信號(hào)做出控制，以及根據(jù)控制實(shí)際表現(xiàn)做出信息反饋和調(diào)整。目前，國(guó)內(nèi)做得比較好的是前端的電極和后端的控制兩部分。而在核心芯片的開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)集成、開(kāi)展臨床試驗(yàn)等方面仍然落后于美國(guó)。

當(dāng)下，我國(guó)的腦機(jī)接口研發(fā)人員正全力以赴地追趕國(guó)際先進(jìn)水平。業(yè)內(nèi)人士表示：“我們并非等到美國(guó)已經(jīng)將腦機(jī)接口研發(fā)成熟之后再追趕，而是在其苗頭剛剛出現(xiàn)之時(shí)，就已經(jīng)奮起直追?！?/p>

除了前文提到的，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院的洪波教授與其團(tuán)隊(duì)順利研發(fā)出 “無(wú)線微創(chuàng)植入腦機(jī)接口 NEO 系統(tǒng)”，且在臨床試驗(yàn)方面取得重大突破外，在2021年，清華大學(xué)孵化企業(yè)寧矩科技（NeuraMatrix）腦機(jī)接口芯片已正式完成流片。

寧矩科技自研的腦機(jī)接口專(zhuān)用的系統(tǒng)級(jí)芯片具有多通道、強(qiáng)抗噪、低功耗、無(wú)線傳輸等特點(diǎn)，芯片性能指標(biāo)處于世界領(lǐng)先水平。寧矩科技與清華大學(xué)附屬長(zhǎng)庚醫(yī)院、北京天壇醫(yī)院、宣武醫(yī)院等醫(yī)療機(jī)構(gòu)多個(gè)科室展開(kāi)合作。目前在2024年巴黎奧運(yùn)會(huì)期間，利用近乎無(wú)感的穿戴式設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的生理參數(shù)，為運(yùn)動(dòng)員提供精準(zhǔn)的技戰(zhàn)術(shù)分析，助力國(guó)家拳擊隊(duì)取得3金2銀的出色成績(jī)。

今年3月，武漢高德紅外股份有限公司董事長(zhǎng)黃立接受采訪時(shí)表示，他帶領(lǐng)中華腦機(jī)接口公司團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了65000通道，雙向的腦機(jī)接口芯片，居于國(guó)際領(lǐng)先水平。

北京腦科學(xué)與類(lèi)腦研究所孵化的北京芯智達(dá)神經(jīng)技術(shù)有限公司推出了，半侵入式采集腦皮層電信號(hào)的“北腦一號(hào)”和侵入式采集單神經(jīng)元電信號(hào)的“北腦二號(hào)”。“北腦一號(hào)”自主研發(fā)出了高密度柔性電極，實(shí)現(xiàn)密度達(dá)到4電極/平方毫米突破，是現(xiàn)有上市產(chǎn)品密度的上百倍。“北腦二號(hào)”系統(tǒng)基于自研高通量柔性微絲電極、千通道電生理記錄系統(tǒng)、實(shí)時(shí)編解碼算法等關(guān)鍵技術(shù)，完成全鏈路系統(tǒng)構(gòu)建，在全球首次實(shí)現(xiàn)獼猴通過(guò)意念控制對(duì)二維運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的腦控?cái)r截。

值得注意的是，今年9月，華為哈勃入股了時(shí)識(shí)科技，時(shí)識(shí)科技由蘇黎世神經(jīng)信息研究所孵化而來(lái)，是一家類(lèi)腦芯片公司。目前已經(jīng)研發(fā)的全球首款可商用感存算一體的類(lèi)腦智能SoC Speck是第一款量產(chǎn)并在商業(yè)化進(jìn)程上取得突破性進(jìn)展的產(chǎn)品。Speck支持各類(lèi)動(dòng)態(tài)視覺(jué)IoT視覺(jué)場(chǎng)景。