更高精度、更低能耗、能處理更復(fù)雜任務(wù)的腦機(jī)接口系統(tǒng)出現(xiàn)了！2月17日，天津大學(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室和清華大學(xué)集成電路學(xué)院聯(lián)合發(fā)布說，成功開發(fā)了一款基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件的新型無創(chuàng)演進(jìn)腦機(jī)接口系統(tǒng)。
這項(xiàng)研究首次揭示了腦電發(fā)展與解碼器演化在腦機(jī)交互過程中的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了人腦對無人機(jī)的高效四自由度操控。相關(guān)成果已在線發(fā)表于國際權(quán)威期刊《自然·電子》。
腦機(jī)接口能實(shí)現(xiàn)大腦與機(jī)器直接信息交流，促進(jìn)生物智能與機(jī)器智能融合，被公認(rèn)為是新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的核心技術(shù)。如何通過腦機(jī)之間的信息交互實(shí)現(xiàn)“互學(xué)習(xí)”，進(jìn)而促進(jìn)腦機(jī)智能的協(xié)同演進(jìn)，是突破腦機(jī)性能瓶頸的重點(diǎn)和難點(diǎn)。但目前腦機(jī)交互過程中大腦與機(jī)器的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制尚未厘清，導(dǎo)致腦機(jī)之間的長時(shí)程互適應(yīng)能力較弱，工作性能隨時(shí)間下降嚴(yán)重。
天津大學(xué)與清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，腦電信號中的非平穩(wěn)特性不僅來源于傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為的背景腦電變異，而且與閉環(huán)腦機(jī)交互引導(dǎo)下的任務(wù)腦電演變密切相關(guān)。
基于這一發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)首次提出了“雙環(huán)路腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)框架”，并通過憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件構(gòu)建了全新的腦機(jī)接口系統(tǒng)。在雙環(huán)路框架下，“機(jī)學(xué)習(xí)”環(huán)路中的憶阻器解碼器通過適應(yīng)腦電信號波動(dòng)完成解碼參數(shù)更新，“腦學(xué)習(xí)”環(huán)路中的任務(wù)相關(guān)腦電特征在“決策-反饋”循環(huán)的引導(dǎo)下不斷正向演化。
相關(guān)算法基于128kb規(guī)模的憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件實(shí)現(xiàn)了硬件化部署，將腦電信號的多步計(jì)算過程優(yōu)化為單步計(jì)算。相比于傳統(tǒng)純數(shù)字硬件方案，憶阻器新方案的歸一化解碼速度提高了2個(gè)數(shù)量級（百倍）以上，能耗降低了3個(gè)數(shù)量級（千分之一）以下，高效支撐了四自由度腦控?zé)o人機(jī)任務(wù)目標(biāo)的成功實(shí)現(xiàn)。
在連續(xù)6小時(shí)的長時(shí)程腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)中，大腦和解碼器的貢獻(xiàn)比例呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，呈現(xiàn)出腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)的過程：初期以解碼器自適應(yīng)更新為主，隨著時(shí)間推移，大腦貢獻(xiàn)逐步增加，最終腦機(jī)接口性能不僅沒有下降，其準(zhǔn)確率還提升了約20%。
“這項(xiàng)研究首次提出了腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)的概念，并基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件完成了技術(shù)驗(yàn)證，通過長時(shí)程大腦與憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件之間的信息交互初步實(shí)現(xiàn)了生物智能與機(jī)器智能的互適應(yīng)、互學(xué)習(xí)，為研發(fā)未來實(shí)用型腦機(jī)接口系統(tǒng)提供了重要的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，也為腦機(jī)融合智能的發(fā)展開辟了新的方向。”國家高層次人才計(jì)劃入選者、天津大學(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室許敏鵬教授表示。“我們這款系統(tǒng)未來計(jì)劃拓展到更多便攜式或可穿戴腦機(jī)接口設(shè)備中，服務(wù)于消費(fèi)級、醫(yī)療級等各類智能人機(jī)交互實(shí)用場景。”
據(jù)了解，該研究由天津大學(xué)與清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作開展：天津大學(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)完成協(xié)同演進(jìn)腦機(jī)接口軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與范式算法實(shí)現(xiàn)，清華大學(xué)集成電路學(xué)院團(tuán)隊(duì)完成協(xié)同演進(jìn)憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件硬件設(shè)計(jì)及憶阻器算法設(shè)計(jì)部署。
清華大學(xué)博士畢業(yè)生（現(xiàn)為香港大學(xué)研究助理教授）劉正午、天津大學(xué)博士研究生梅杰為共同第一作者，天津大學(xué)許敏鵬教授、明東教授與清華大學(xué)唐建石副教授、吳華強(qiáng)教授為共同通訊作者。
更高精度、更低能耗、能處理更復(fù)雜任務(wù)的腦機(jī)接口系統(tǒng)出現(xiàn)了！2月17日，天津大學(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室和清華大學(xué)集成電路學(xué)院聯(lián)合發(fā)布說，成功開發(fā)了一款基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件的新型無創(chuàng)演進(jìn)腦機(jī)接口系統(tǒng)。
這項(xiàng)研究首次揭示了腦電發(fā)展與解碼器演化在腦機(jī)交互過程中的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，成功實(shí)現(xiàn)了人腦對無人機(jī)的高效四自由度操控。相關(guān)成果已在線發(fā)表于國際權(quán)威期刊《自然·電子》。
腦機(jī)接口能實(shí)現(xiàn)大腦與機(jī)器直接信息交流，促進(jìn)生物智能與機(jī)器智能融合，被公認(rèn)為是新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的核心技術(shù)。如何通過腦機(jī)之間的信息交互實(shí)現(xiàn)“互學(xué)習(xí)”，進(jìn)而促進(jìn)腦機(jī)智能的協(xié)同演進(jìn)，是突破腦機(jī)性能瓶頸的重點(diǎn)和難點(diǎn)。但目前腦機(jī)交互過程中大腦與機(jī)器的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制尚未厘清，導(dǎo)致腦機(jī)之間的長時(shí)程互適應(yīng)能力較弱，工作性能隨時(shí)間下降嚴(yán)重。
天津大學(xué)與清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，腦電信號中的非平穩(wěn)特性不僅來源于傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為的背景腦電變異，而且與閉環(huán)腦機(jī)交互引導(dǎo)下的任務(wù)腦電演變密切相關(guān)。
基于這一發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)首次提出了“雙環(huán)路腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)框架”，并通過憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件構(gòu)建了全新的腦機(jī)接口系統(tǒng)。在雙環(huán)路框架下，“機(jī)學(xué)習(xí)”環(huán)路中的憶阻器解碼器通過適應(yīng)腦電信號波動(dòng)完成解碼參數(shù)更新，“腦學(xué)習(xí)”環(huán)路中的任務(wù)相關(guān)腦電特征在“決策-反饋”循環(huán)的引導(dǎo)下不斷正向演化。
相關(guān)算法基于128kb規(guī)模的憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件實(shí)現(xiàn)了硬件化部署，將腦電信號的多步計(jì)算過程優(yōu)化為單步計(jì)算。相比于傳統(tǒng)純數(shù)字硬件方案，憶阻器新方案的歸一化解碼速度提高了2個(gè)數(shù)量級（百倍）以上，能耗降低了3個(gè)數(shù)量級（千分之一）以下，高效支撐了四自由度腦控?zé)o人機(jī)任務(wù)目標(biāo)的成功實(shí)現(xiàn)。
在連續(xù)6小時(shí)的長時(shí)程腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)中，大腦和解碼器的貢獻(xiàn)比例呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化，呈現(xiàn)出腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)的過程：初期以解碼器自適應(yīng)更新為主，隨著時(shí)間推移，大腦貢獻(xiàn)逐步增加，最終腦機(jī)接口性能不僅沒有下降，其準(zhǔn)確率還提升了約20%。
“這項(xiàng)研究首次提出了腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)的概念，并基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件完成了技術(shù)驗(yàn)證，通過長時(shí)程大腦與憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件之間的信息交互初步實(shí)現(xiàn)了生物智能與機(jī)器智能的互適應(yīng)、互學(xué)習(xí)，為研發(fā)未來實(shí)用型腦機(jī)接口系統(tǒng)提供了重要的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐，也為腦機(jī)融合智能的發(fā)展開辟了新的方向。”國家高層次人才計(jì)劃入選者、天津大學(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室許敏鵬教授表示。“我們這款系統(tǒng)未來計(jì)劃拓展到更多便攜式或可穿戴腦機(jī)接口設(shè)備中，服務(wù)于消費(fèi)級、醫(yī)療級等各類智能人機(jī)交互實(shí)用場景。”
據(jù)了解，該研究由天津大學(xué)與清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作開展：天津大學(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)完成協(xié)同演進(jìn)腦機(jī)接口軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與范式算法實(shí)現(xiàn)，清華大學(xué)集成電路學(xué)院團(tuán)隊(duì)完成協(xié)同演進(jìn)憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件硬件設(shè)計(jì)及憶阻器算法設(shè)計(jì)部署。
清華大學(xué)博士畢業(yè)生（現(xiàn)為香港大學(xué)研究助理教授）劉正午、天津大學(xué)博士研究生梅杰為共同第一作者，天津大學(xué)許敏鵬教授、明東教授與清華大學(xué)唐建石副教授、吳華強(qiáng)教授為共同通訊作者。
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