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腦機接口技術(shù)的研究早期出于軍事目的，意圖通過意識遠(yuǎn)程操控機器人完成作戰(zhàn)等任務(wù)，后逐漸在醫(yī)療方面發(fā)展，以期通過神經(jīng)科學(xué)、信號檢測、機器學(xué)習(xí)等跨學(xué)科研究，找到治愈運動障礙者的方法，并在娛樂業(yè)，尤其虛擬操控領(lǐng)域受到歡迎。

腦機交互技術(shù)分為“植入式”和“非植入式”兩類。其中，植入式由于技術(shù)較難，對精準(zhǔn)度要求高，并需植入腦部皮膚，因此仍在人體實驗階段，主要出于醫(yī)療研究目的，荷蘭、美國在此領(lǐng)域較為領(lǐng)先。而非植入式裝卸方便，已進入商用階段，以娛樂和醫(yī)療為主要目的，較有代表性的企業(yè)包括日本本土公司、日本Neurowear公司、美國Emotiv公司等。

1、腦機交互技術(shù)及其應(yīng)用前景

腦機接口(Brain-MachineInterface，BMI)是指不依賴常規(guī)的脊髓/外周神經(jīng)肌肉系統(tǒng)，在腦與外部環(huán)境之間建立一種新型的信息交流與控制通道，實現(xiàn)腦與外部設(shè)備之間的直接交互。腦機接口涉及信息科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、材料科學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域，對人工智能、生物工程和神經(jīng)康復(fù)等產(chǎn)生了越來越重要的影響。通過腦機接口技術(shù)實現(xiàn)腦與外部設(shè)備的交互，則稱為腦機交互。

腦機交互技術(shù)是涉及到多學(xué)科的交叉研究,包括神經(jīng)科學(xué)、信號檢測、信號處理、機器學(xué)習(xí),模式識別、控制理論、心理學(xué)等等。其研究最初瞄準(zhǔn)軍事領(lǐng)域，以期在未來戰(zhàn)場上，使士兵能通過大腦直接操縱武器、甚至遠(yuǎn)程控制機器人和無人機作戰(zhàn)，從而提高戰(zhàn)斗力和降低傷亡率。而腦機交互技術(shù)在民用范圍內(nèi)的研究也具有深遠(yuǎn)意義。醫(yī)療方面，通過BCI系統(tǒng)，可以為嚴(yán)重運動殘疾人和正常人提供輔助控制，從而改善生活質(zhì)量，諸如霍金等運動障礙患者已經(jīng)開始應(yīng)用相關(guān)設(shè)備實現(xiàn)與外界的溝通。而在日常生活娛樂中，腦機接口可以取代傳統(tǒng)鼠標(biāo)鍵盤或其他手控操作設(shè)備，實現(xiàn)電腦操作、玩游戲、看電視等活動，增強生活的趣味性。

2、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀：

（1）國外發(fā)展現(xiàn)狀

1）“植入式”技術(shù)：美、荷領(lǐng)先，已開展人體實驗

目前，腦機交互的研究熱點聚焦腦機接口技術(shù)，按信號采集的方式，大致可分為“植入式”和“非植入式”兩類。其中，“植入式”技術(shù)，需要通過在大腦皮層表面或腦內(nèi)部完全植入電極來采集腦電，信息量大、時空分辨率高，鋒電位(Spike)信號解碼能夠?qū)崿F(xiàn)對外部設(shè)備多自由度的實時、精確控制。但是，由于其需要植入人腦，屬于“有創(chuàng)”操作，因而研究目的主要是幫助嚴(yán)重運動殘疾的病人康復(fù)或提高生活質(zhì)量，以醫(yī)用為主。

目前，“植入式”腦機接口技術(shù)的研究在動物實驗中取得了諸多進展，但是在人體中實現(xiàn)應(yīng)用難度更大，而傳統(tǒng)技術(shù)強國美國在人用研究方面已實現(xiàn)了突破，處于行業(yè)前列，已為幾十位癱瘓病人提供了幫助，而荷蘭科學(xué)家近期的成果也受舉世矚目：2006年，美國布朗大學(xué)在癱瘓病人上實現(xiàn)腦電控制假肢，實現(xiàn)了腦機接口的首次臨床應(yīng)用；2012年，美國西北大學(xué)實現(xiàn)了功能性電刺激控制癱瘓肌肉；同一年，美國匹茲堡大學(xué)實現(xiàn)人腦ECoG信號控制機械手，該大學(xué)研發(fā)的另一款機械手，使得另一位高截癱患者在與美國總統(tǒng)奧巴馬握手時，能夠使其大腦收到機械手回傳來的信號，使患者感到兩手相握的觸感；2015年，加州理工的研究團隊通過讀取病人手部運動相關(guān)腦區(qū)的神經(jīng)活動，成功將病人的運動意念轉(zhuǎn)化成控制假肢的信號，是一位癱瘓10年的高位截癱病人通過意念控制獨立的機械手臂完成諸如“喝水”等較為精細(xì)的任務(wù)；2016年，荷蘭烏特勒支大學(xué)的科研團隊則成功地使一位因漸凍癥（ALS）而失去運動能力乃至眼動能力的患者通過腦機交互技術(shù)，實現(xiàn)了其通過意念在計算機上打字，準(zhǔn)確率達(dá)到95%，使植入式腦機接口技術(shù)應(yīng)用水平又向前邁了一大步。

2）“非植入式”技術(shù)：初探市場，產(chǎn)品迭出

“非植入式”因其操作相對簡便而受到更多研發(fā)團隊的青睞，主要有腦電圖EEG、腦磁圖MEG、近紅外光譜NIRS、功能磁共振成像fMRI等研究方式，一些商用腦機交互產(chǎn)品已經(jīng)被開發(fā)和出現(xiàn)在市場上。例如，日本本田公司生產(chǎn)了意念控制機器人，操作者可以通過想象自己的肢體運動來控制身邊機器人進行相應(yīng)的動作；美國羅切斯特大學(xué)的一項研究，受試者可以通過P300信號控制虛擬現(xiàn)實場景中的一些物體，例如開關(guān)燈或者操縱虛擬轎車等；日本科技公司Neurowear開發(fā)了一款名為Necomimi意念貓耳朵的腦機交互設(shè)備，這款貓耳朵可以檢測人腦電波，進而轉(zhuǎn)動貓耳來表達(dá)不同情緒，其姐妹產(chǎn)品“腦電波貓尾”，則可由腦電波控制仿喵星人的尾巴裝置運動，它可以隨著佩戴者的心情的變化而運動，當(dāng)佩戴者心情放松愉悅時，尾巴就會搖得舒緩溫和，當(dāng)使用者精神緊張時，尾巴就會搖得生硬；美國加州舊金山的神經(jīng)科技公司Emotiv則開發(fā)出一款腦電波編譯設(shè)備——EmotivInsight，能夠幫助殘障人士用來控制輪椅或電腦。

（2）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

中國在腦機交互研究方面也有所建樹，清華大學(xué)、華南理工大學(xué)、電子科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、國防科技大學(xué)、第三軍醫(yī)大學(xué)、安徽大學(xué)、天津大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)等都已設(shè)立課題組研究相關(guān)領(lǐng)域，在國際BCI大賽中取得成績，研究成果取得不少突破。例如，浙江大學(xué)早期研究大白鼠“動物機器人”意念控制實驗和猴子大腦信號“遙控”機械手,并完成了國內(nèi)首次病人顱內(nèi)植入電極,然后用意念控制機械手的實驗，在“植入式腦機接口”領(lǐng)域處于國內(nèi)領(lǐng)先；上海交通大學(xué)于2015年成功實現(xiàn)了人腦意念遙控蟑螂行動；清華大學(xué)早在2001年就實現(xiàn)控制鼠標(biāo)、控制電視各個按鍵，在2006年他們通過運動想象,控制兩個機器狗,進行了一場足球大賽，并進行基于運動想象腦一機接口及功能性電刺激技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練新方法；華南理工大學(xué)則在研究基于P300和運動想象結(jié)合的文字輸入系統(tǒng)、光標(biāo)控制上網(wǎng)發(fā)郵件、以及在殘疾人生活輔助（如家電及輪椅等控制）和神經(jīng)功能康復(fù)中的應(yīng)用等；2016年10月，由天津大學(xué)神經(jīng)工程團隊負(fù)責(zé)設(shè)計研發(fā)的在軌腦－機交互及腦力負(fù)荷、視功能等神經(jīng)工效測試系統(tǒng)隨著“天宮二號”進入太空進行了國內(nèi)首次太空腦機交互實驗。

3、專利發(fā)展歷程

（1）專利發(fā)展歷程

腦機交互的技術(shù)起步較晚，根據(jù)專利檢索數(shù)據(jù)分析，腦機交互的專利文獻(xiàn)申請和公開均始于21世紀(jì)初，隨后數(shù)量逐年攀升，年均增長率分別達(dá)到33.82%和36.60%，但總體體量并不大，累積至2017年3月初，所能檢索到的最相關(guān)專利也只有400余件，正處于初步發(fā)展階段。（見圖1）

圖1腦機交互專利年度公布與申請情況（截至2017年初）

數(shù)據(jù)來源：ThomsonInnovation專利數(shù)據(jù)庫。

（2）技術(shù)領(lǐng)域構(gòu)成

腦機交互技術(shù)目前多應(yīng)用于醫(yī)療及游戲領(lǐng)域，根據(jù)IPC分類規(guī)則對腦機交互專利技術(shù)數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果顯示，該技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠^多集中于電數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理（IPC號：G06F）；診斷、外科、鑒定（A61B）；可植入血管內(nèi)濾器、假體、支架等裝置（A61F）；數(shù)據(jù)識別、記錄載體（G06K）；電療、磁療、放射療、超聲波療（A61N）等幾個大類內(nèi)。對其細(xì)分發(fā)現(xiàn)，專利比重最多的兩個細(xì)分領(lǐng)域分別是“用于用戶和計算機之間交互的輸入裝置或輸入和輸出組合裝置”（G06F3/01）和腦電圖術(shù)（A61B5/0476），分別占專利總量的24.9%和10.8%，其他比重較大的細(xì)分領(lǐng)域還有“測量人體或人體各部分的生物電信號”、“使用誘導(dǎo)響應(yīng)的診斷、外科、鑒定技術(shù)”、“專門適用于腦電圖術(shù)的電極”等。（詳見圖2）

圖2腦機交互的重點技術(shù)領(lǐng)域分布

（3）區(qū)域格局分析

從公開專利的地區(qū)分布來看，中國已經(jīng)成為腦機交互應(yīng)用最為看好的市場，專利文獻(xiàn)計數(shù)達(dá)到207項，占到全球總量的51.4%，其次是美國，占到全球的14.9%，而通過世界知識產(chǎn)權(quán)組織（WO）授權(quán)的允許在該組織授權(quán)地區(qū)范圍內(nèi)應(yīng)用的專利數(shù)量占到總量的13.2%。其他申請活動較為活躍的國家或地區(qū)有韓國、日本、印度和臺灣地區(qū)，英國、德國、加拿大、澳大利亞、法國、巴西、土耳其、杰克共和國、西班牙等也有所涉獵。（詳見圖3）

圖3腦機交互技術(shù)公開專利的地區(qū)分布

（4）競爭機構(gòu)排名

目前,中國高校在腦機交互技術(shù)研發(fā)方面非常踴躍，天津大學(xué)、南方科技大學(xué)、北京理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)等外地高校皆有建樹，上海地區(qū)的上海交通大學(xué)、上海海事大學(xué)等也有所斬獲，而國際方面，新加坡科技研究局、美國斯坦福大學(xué)、韓國首爾大學(xué)、荷蘭StichtingKatholieke大學(xué)、日本豐田汽車等是較為積極的研發(fā)機構(gòu)。見表1。

表1腦機交互專利權(quán)人/申請人（首位）前十五位排名

數(shù)據(jù)來源：ThomsonInnovation專利數(shù)據(jù)庫；制表：AIUST人工智能網(wǎng)

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