我國科學家實現(xiàn)“雙環(huán)路”腦機“互學習”新突破
這款基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件的無創(chuàng)演進腦機接口系統(tǒng)，成功揭示了腦電發(fā)展與解碼器演化在腦機交互過程中的協(xié)同增強效應，實現(xiàn)了人腦對無人機的高效四自由度操控。2月17日，這一成果在最新一期《自然·電子》上刊發(fā)。
協(xié)同演進腦機接口框架。（聯(lián)合研究團隊供圖）
腦機接口能實現(xiàn)大腦與機器直接信息交流，促進生物智能與機器智能融合，被公認為是新一代人機交互和人機混合智能的核心技術。如何通過腦機之間的信息交互實現(xiàn)“互學習”，進而促進腦機智能的協(xié)同演進，是突破腦機性能瓶頸的重點和難點。但目前腦機交互過程中大腦與機器的動態(tài)耦合機制尚未厘清，導致腦機之間的長時程互適應能力較弱，工作性能隨時間顯著下降。
天津大學與清華大學的聯(lián)合研究團隊針對這一難題，發(fā)現(xiàn)腦電信號的非平穩(wěn)特性與任務腦電演變密切相關。基于此，他們創(chuàng)新性地提出了“雙環(huán)路腦機協(xié)同演進框架”，并通過憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件加以實現(xiàn)。在“雙環(huán)路”框架下，腦與機的學習環(huán)路相互協(xié)同，共同促進系統(tǒng)性能的提升。
（a）腦-憶阻器交互式更新框架;（b）基于憶阻器腦電解碼的實時腦控無人機飛行。（聯(lián)合研究團隊供圖）
實驗結果顯示，新方案相較于傳統(tǒng)方案，解碼速度大幅提升，能耗顯著降低。更令人矚目的是，在連續(xù)6小時的長時程交互實驗中，系統(tǒng)性能不僅保持穩(wěn)定，準確率還提升了約20%。這一成果無疑為腦機接口技術的實用化奠定了堅實基礎。
天津大學腦機海河實驗室教授許敏鵬表示，這項研究不僅實現(xiàn)了生物智能與機器智能的互適應、互學習，還為未來腦機接口系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要的理論基礎與技術支撐。他透露，團隊計劃將這一系統(tǒng)拓展至更多便攜式或可穿戴設備中，以滿足不同場景下的智能人機交互需求。
（a）協(xié)同演進腦機解碼正確率較初始狀態(tài)提高20%；（b）任務相關腦電特征發(fā)生正向演化；（c）腦與憶阻器解碼器實現(xiàn)互適應。（聯(lián)合研究團隊供圖）
據(jù)了解，此研究由天津大學與清華大學團隊合作開展：天津大學腦機海河實驗室團隊完成協(xié)同演進腦機接口軟件系統(tǒng)設計與范式算法實現(xiàn)，清華大學集成電路學院團隊完成協(xié)同演進憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件硬件設計及憶阻器算法設計部署。
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