「脑机接口礼服」长啥样1024个独立电极机器学习与定制芯片加持

在被誉为是赛博朋克史诗的《攻壳机动队》中,全身“义体化”的公安 9 课队长草薙素子的形象令人难忘,电影中对于脑机接口技术与人类自我意识核心“Ghost”之间关系的探讨也让我们无限回味。

回归现实,在「宇宙网红」Elon Musk 的大力推广下,我们对脑机接口技术也不再陌生。

值得一提的是,Pangolin dress 中,每组电极和芯片都被安装在一块瓷砖上。从下图可以看出,穿戴者的头部完全被瓷砖覆盖,各个连接了天线。

我们必须为此设计一个放大器、一个 ADC,以及我们自己的基于超宽带的传输协议。

这套「礼服」有个直男但又形象的名字:Pangolin dress(翻译过来是“穿山甲连衣裙”)。

首先,一个最大的挑战便是传感器电子设备的电力预算。正如奥地利约翰内斯·开普勒大学林茨分校集成电路研究所的 Harald Pretl 教授所说:

比如说,当佩戴者决定主动移动一块肌肉时,这一动作会在大脑运动皮层中触发一种「局部活动模式」,这种模式是能被检测和识别到的。

通过 1024 个独立电极通道,我们甚至可以获得单个手指的分辨率。这是非植入式脑机接口设备的电极通常无法做到的。

据了解,Pangolin dress 团队就曾遇到了以下挑战。

第一,防卫过当仍属于防卫行为,只是明显超过必要限度并造成重大损害。本案中,李某强行踹门进入他人住宅,将邹某摁在墙上殴打其头部,赵宇闻声下楼查看,为了制止李某对邹某以强欺弱,出手相助,拉拽李某。赵宇的行为属于为了使他人的人身权利免受正在进行的不法侵害,而采取的制止不法侵害的行为,符合正当防卫的起因条件、时间条件、对象条件和意图条件等要件,具有防卫性质。

第二,对防卫行为“明显超过必要限度”的判断,应当坚持综合考量原则。防卫是否“明显超过必要限度”,应当综合不法侵害的性质、手段、强度、危害程度和防卫的时机、手段、强度、损害后果等情节,考虑双方力量对比,立足防卫人防卫时所处情境,结合社会公众的一般认知作出判断。在判断不法侵害的危害程度时,不仅要考虑已经造成的损害,还要考虑造成进一步损害的紧迫危险性和现实可能性。不应当苛求防卫人必须采取与不法侵害基本相当的反击方式和强度,更不能机械地理解为反击行为与不法侵害行为的方式要对等,强度要精准。防卫行为虽然超过必要限度但并不明显的,不能认定为防卫过当。本案虽然造成了李某重伤二级的后果,但是,从赵宇的行为手段、行为目的、行为过程、行为强度等具体情节来看,没有“明显超过必要限度”。赵宇在阻止、拉拽李某的过程中,致李某倒地,在李某起身后欲殴打赵宇,并用言语威胁的情况下,赵宇随即将李某推倒在地,朝李某腹部踩一脚,导致李某横结肠破裂,属于重伤二级。从行为手段上看,双方都是赤手空拳,赵宇的拉拽行为与李某的不法侵害行为基本相当。从赵宇的行为过程来看,赵宇制止李某的不法侵害行为是连续的,自然而然发生的,是在当时场景下的本能反应。李某倒地后,并未完全被制服,仍然存在起身后继续实施不法侵害的现实可能性。此时,赵宇朝李某腹部踩一脚,其目的是阻止李某继续实施不法侵害,并没有泄愤报复等个人目的,应当认定为正当防卫。

那么,既是艺术展品,又涵盖尖端科技,Pangolin dress 具体有哪些特别之处呢?

2018年12月26日晚11时许,李某与在此前相识的女青年邹某一起饮酒后,一同到达福州市晋安区某公寓邹某的暂住处,二人在室内发生争吵,随后李某被邹某关在门外。李某强行踹门而入,谩骂殴打邹某,引来邻居围观。暂住在楼上的赵宇闻声下楼查看,见李某把邹某摁在墙上并殴打其头部,即上前制止并从背后拉拽李某,致李某倒地。李某起身后欲殴打赵宇,威胁要叫人“弄死你们”,赵宇随即将李某推倒在地,朝李某腹部踩一脚,又拿起凳子欲砸李某,被邹某劝阻住,后赵宇离开现场。经鉴定,李某腹部横结肠破裂,伤情属于重伤二级;邹某面部挫伤,伤情属于轻微伤。

根据刑法第二十条第二款的规定,防卫过当应当同时具备“明显超过必要限度”和“造成重大损害”两个条件,缺一不可。造成重大损害是指造成不法侵害人重伤、死亡,对此不难判断。实践中较难把握的是相关防卫行为是否明显超过必要限度,不少案件处理中存在认识分歧。司法适用中,要注意综合考虑案件具体情况,结合社会公众的一般认知,对防卫行为是否“明显超过必要限度”作出准确判断。

我们的原则是控制技术成本,团队所使用的是 180 纳米制造技术,但我们还通过一些先进的电路设计技巧实现了更高的性能。

令人眼前一亮的是,Pangolin dress 还可以通过不同颜色反映佩戴者所处的精神状态,比如紧张(白色)、平静(蓝色)、沉思(紫色)等等。可见,这已经不仅仅是意念控制设备了,更像是设备反映意念。

简单来讲,系统实际上并不要求佩戴者移动任何特定的肌肉,佩戴者只需想象执行一个动作。

其次,处理头部周围的褪色和阴影效果也是一大挑战。

公安机关以赵宇涉嫌故意伤害罪立案侦查,侦查终结后,以赵宇涉嫌过失致人重伤罪向检察机关移送审查起诉。福建省福州市晋安区人民检察院认定赵宇防卫过当,对赵宇作出相对不起诉决定。福州市检察院经审查认定赵宇属于正当防卫,依法指令晋安区人民检察院对赵宇作出绝对不起诉决定。

即便设计了定制芯片,团队也没有一味追求奇异的制造技术。Pangolin dress 项目负责人、奥地利约翰内斯·开普勒大学林茨分校团队的 Thomas Faseth 解释道:

实际上,由于每个佩戴者的大脑存在差异,要想准确识别细节,还需对系统进行校准。

1024 个独立电极

在奥地利电子艺术节上,Pangolin dress 受到了广泛关注。就未来而言,研究团队希望设计出另一个版本,使用完全无线的传感器。与此同时,关于将传感器技术商业化的讨论也仍在进行中。

——“明显超过必要限度”的认定

原因就在于,一般情况下脑机接口仅仅有 64 个电极通道,只能用来区分运动区域——例如,身体刚刚作出的动作是由左臂还是右臂完成。

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为此,研究团队的设计是:通过机器学习识别与不同动作相关的模式。

前不久,Pangolin dress 曾在奥地利电子艺术节(Ars Electronica Festival)上亮相。在素来密切关注艺术、科技和社会三者相互联系的奥地利电子艺术节上,这一设计堪称是艺术、能量采集与机器学习的一次美妙结合。

来自奥地利约翰内斯·开普勒大学林茨分校的研究人员,联合医疗工程公司 G.tec 研发人员及时尚设计师 Anouk Wipprecht 就设计了一套特别的脑机接口装置——与其说是装置,不如说是礼服。

由于功耗小,这种芯片可通过附近的基站,以非接触式射频识别芯片的方式驱动,并以无线方式返回数据。据介绍:

数据一经组合、分析、转换,Pangolin dress 就会出现颜色变换。也就是说,穿上 Pangolin dress 后,大脑神经活动将在身体上以可视化的方式呈现。

值得关注的是,研究人员设计了连接到每个电极的定制芯片——按 IEEE 的话说,这是最主要的技术进步。

天津市委常委、市委统战部部长冀国强应邀出席颁奖典礼,并为获得金奖的参赛者颁奖。他在致辞时指出,妈祖文化作为桥梁纽带,始终激励两岸同胞为推动两岸经济文化交流不懈努力。本次大赛参与群体广、参赛地域广、作品水平高,得到了两岸社会普遍关注。

整体上,Pangolin dress 兼具超低能量、高分辨率、高灵敏度的特点。但为了做出最终的设计,也并不容易。

可以说,这种技术完全适用于瘫痪患者。在此基础之上,Christoph Guger 甚至有个想法:未来可以设计一种用脑机接口控制的外骨骼装置,造福瘫痪群体。

他强调,要秉承“两岸一家亲”理念,持续加强津台两地基层和青少年交流,推动两岸中华优秀文化传承发展,为推进两岸关系和平发展和祖国统一贡献力量。(完)

背后的逻辑是,大脑想象一个动作往往比实际执行更花时间,产生的信号也更持久,所以机器学习起来就更容易。

据 IEEE 报道,Pangolin dress 共包含 1024 个独立的头戴电极(共 64 组,每组 16 个),可探测到大脑的电信号。收集到信号之后,所获取的数据将被组合、分析、转换。

对于非植入式脑机接口而言,头戴电极可检测大脑信号,收集分析数据,发出相应指令,控制外部设备。

这件「穿山甲连衣裙」有着模块化的设计,其灵感正是来源于穿山甲富有光泽的角蛋白鳞片——它结合了刚性和织物元素,其中刚性元素采用的是选择性激光烧结技术(selective laser sintering),9 个环环相扣的部分通过 3D 打印完成。

机器学习识别身体动作

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通过无线方式给供电芯片并与之通信,穿戴者不再被拴在以往的有线测试系统上,这种设计还可减少传统无线系统中电池的体积和重量。

还有一个挑战在于,大脑信号的变化速度要比伺服器改变角度的速度快得多,所以团队专注于反映变化的频率。比如他们的一个设计是,当低频脑电波占主导时,伺服器和光线会缓慢变化。

颁奖典礼前,大赛按照既定方案完成了启动仪式、赛事宣介、作品征集、专家评审和获奖公示等环节,评选出了2名金奖、4名银奖、6名铜奖、20名优胜奖和100名入围奖。通过赛事宣介、作品设计、专家评审、展览交流等形式,传承了妈祖精神,弘扬中华优秀传统文化,密切两岸同胞感情,促进同胞心灵契合。

具体而言,这种定制芯片为单通道芯片,侧面尺寸 1.6 毫米,集成了一个放大器、一个模数转换器(ADC)和一个数字信号处理器,功耗小于 5 毫瓦。

那么,如此硬核的装置只能摆在实验室里吗?并不!