21 世紀(jì)是世界科學(xué)界公認(rèn)的腦科學(xué)時(shí)代，認(rèn)識(shí)腦、保護(hù)腦、創(chuàng)造腦一直是腦科學(xué)和神經(jīng)科學(xué)界孜孜以求的目標(biāo)。美國、歐盟、日本等國家和地區(qū)紛紛投入巨資，以期占領(lǐng)腦科學(xué)研究的先機(jī)和制高點(diǎn)。我國也于 2016 年啟動(dòng)以“一體兩翼”為核心的中國腦計(jì)劃，與世界腦科學(xué)研究熱潮相呼應(yīng)。腦機(jī)接口（ brain-computer interface ， BCI ）通過直接測量大腦神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生的電信號(hào)，在大腦和外部設(shè)備之間創(chuàng)建連接通路，是腦科學(xué)研究的重要技術(shù)途徑。它既是全面解析和認(rèn)識(shí)大腦的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，也是人機(jī)交互理論上最直接、最有效的工具。人腦的數(shù)百億個(gè)神經(jīng)元都存在獨(dú)特、持續(xù)且極其微弱的電信號(hào)，如何將這些電信號(hào)以盡可能高的空間分辨率和信號(hào)質(zhì)量提取出來，同時(shí)在保證安全性和便捷性的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦電信號(hào)的長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測，是腦機(jī)接口研究亟須解決的關(guān)鍵問題，對(duì)腦電信號(hào)采集器件和處理器件提出了特殊的要求。

典型BCI 系統(tǒng)組成

以腦電信號(hào)采集位置為標(biāo)準(zhǔn)，可以將BCI分為植入式及非植入式兩種類型，植入式BCI又可以進(jìn)一步細(xì)分為侵入式BCI 和半侵入式BCI。雖然植入式BCI可以提供更高密度、更高質(zhì)量的腦電信號(hào)，但具有較大的創(chuàng)傷和安全風(fēng)險(xiǎn)，其應(yīng)用主要集中在臨床醫(yī)療領(lǐng)域。非植入式BCI又稱非侵入式BCI，因其安全無創(chuàng)的特點(diǎn)，在學(xué)術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面均更為普及，但受限于腦外采集腦電信號(hào)的低信噪比，目前可實(shí)現(xiàn)的腦機(jī)交互功能有限。

表 侵入式、半侵入式、非侵入式BCI 對(duì)比

從BCI的技術(shù)體系來看，可分為硬件層、軟件層和應(yīng)用層。

BCI 技術(shù)體系

硬件層包括腦電信號(hào)采集設(shè)備和外控外聯(lián)設(shè)備。腦電信號(hào)采集設(shè)備包括核心器件和材料。核心器件包括電極、芯片、電源等。電極的關(guān)鍵技術(shù)包括干電極、濕電極、微電極陣列和柔性電極技術(shù)等；芯片的關(guān)鍵技術(shù)包括神經(jīng)數(shù)據(jù)處理、無線能量和數(shù)據(jù)傳輸、多路復(fù)用等；電池要求具有高能量密度、強(qiáng)電流脈沖能力和長循環(huán)壽命。材料方面包括石墨烯、導(dǎo)電膏、導(dǎo)電膠、柔性材料等。外控外聯(lián)設(shè)備包括機(jī)械臂、智能仿生手及無人機(jī)等。

軟件層主要包括生物信號(hào)分析等核心算法。腦機(jī)理認(rèn)知一定程度上也屬于軟件仿真和實(shí)現(xiàn)的重要方面。隨著對(duì)腦機(jī)理認(rèn)知的不斷深化，采集的數(shù)據(jù)量越來越龐大，未來將陸續(xù)面臨數(shù)據(jù)壓縮和存儲(chǔ)、高通量高速數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)确矫娴奶魬?zhàn)。此外，基于腦電的信息認(rèn)證及信息安全、隱私保護(hù)也將是軟件層需要重點(diǎn)研究和解決的問題。

應(yīng)用層包括生物醫(yī)療、教育、娛樂、軍事工程等方面。BCI 早期發(fā)展的應(yīng)用場景主要集中在腦科學(xué)研究和醫(yī)療康復(fù)方面，近幾年研究及應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大，從代替人類現(xiàn)有的部分功能，轉(zhuǎn)變?yōu)樵鰪?qiáng)人類的各種感知能力，包括腦增強(qiáng)和腦溝通等方面。作為一門交叉學(xué)科，BCI 的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展需要多學(xué)科的協(xié)同進(jìn)步。例如，電極和探針有賴材料學(xué)、基礎(chǔ)化學(xué)、合金工藝等學(xué)科的進(jìn)步，芯片原理有賴于基礎(chǔ)物理、量子力學(xué)、量子計(jì)算等基礎(chǔ)學(xué)科，芯片性能和計(jì)算速度的提升有賴于新的計(jì)算模型開發(fā)、高精度半導(dǎo)體加工等應(yīng)用科學(xué)；外控外聯(lián)設(shè)備對(duì)底層科研要求更高，均依賴工程和工藝進(jìn)步。

01.

電極

非植入式：非植入式BCI 系統(tǒng)，多采用Ag/AgCl 電極記錄頭皮EEG 信號(hào)。非植入式電極的最新研究進(jìn)展是主動(dòng)式電極，其采用微制造工藝將放大器等前置放大電路與電極集成，此技術(shù)極大提高了信噪比。電極在頭皮上的安放多采用電極帽固定，擺放的位置采用10-20 電極安放標(biāo)準(zhǔn)，電極數(shù)量越多，對(duì)信號(hào)的描述越精確，但為了使用便捷，一般希望在提取有效信號(hào)的前提下，電極數(shù)量越少越好。

植入式皮層宏電極和微電極陣列

植入式：隨著微納加工技術(shù)和電極材料的不斷發(fā)展，植入式電極趨向于柔性、小型化、高通量和集成化發(fā)展，形成了以微絲電極、硅基電極和柔性電極為主的多元化發(fā)展局面。基于MEMS 技術(shù)，以剛性硅為基底材料制得的微電極陣列能夠有效采集大腦神經(jīng)元的高密度活動(dòng)信息、完成高空間分辨率采樣。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，神經(jīng)電極也在不斷優(yōu)化，與大多數(shù)由惰性金屬或半導(dǎo)體材料制得的傳統(tǒng)電極相比，柔性植入式神經(jīng)微電極與柔軟、動(dòng)態(tài)的神經(jīng)組織機(jī)械匹配性更好，在生物相容性、導(dǎo)電性和可靠性上也具有突出優(yōu)勢。

02.

芯片

BCI 芯片研發(fā)有三個(gè)主要方向，包括大規(guī)模通道神經(jīng)記錄芯片，主要同步記錄多通道場電位或者動(dòng)作電位，需要解決大數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)、傳輸?shù)入y題；神經(jīng)記錄與神經(jīng)刺激芯片，主要實(shí)現(xiàn)神經(jīng)活動(dòng)感知與調(diào)控的交互，需要解決神經(jīng)刺激偽跡影響難題；神經(jīng)記錄、刺激與計(jì)算集成芯片，主要解決高效數(shù)據(jù)管理與實(shí)時(shí)計(jì)算等難題，而功耗和供電是各類芯片的共性挑戰(zhàn)。

植入式腦機(jī)接口芯片

美國Intan Technologies 公司RHA2000 系列微芯片

目前BCI 芯片在技術(shù)上主要面臨兩大需求：一個(gè)是高通量低功耗，即擴(kuò)大采集通道數(shù)量以記錄更多神經(jīng)元的活動(dòng)，這樣才能更精確地獲取用戶意圖，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)神經(jīng)活動(dòng)的調(diào)控及控制外部設(shè)備，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)長期、穩(wěn)定、安全的植入，芯片的體積需要足夠小，功耗要盡量低；另一個(gè)是無線化，這個(gè)是針對(duì)通信和供電的，相對(duì)于笨重且不靈活的有線電纜和電池，無線通信和供電鏈路可以降低感染風(fēng)險(xiǎn)，改善外觀并且不影響用戶的正常生活。

03.

系統(tǒng)

非植入式：非植入式BCI 系統(tǒng)，按應(yīng)用目的可分為神經(jīng)修補(bǔ)系統(tǒng)、信息交流系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)等。所采用的信息載體有SSVEP、慢皮層電位、P300 及頻域的μ、β節(jié)律等。采用頭皮電極記錄EEG 信號(hào)作為通信載體，其優(yōu)點(diǎn)是可以無損、簡單地實(shí)現(xiàn)腦機(jī)交互，易于被用戶所接受。但信號(hào)模糊、信息量少、受環(huán)境干擾影響較大，這使得改善信號(hào)的精度、可靠性及提高通信速率成為該類BCI 的主要挑戰(zhàn)。

商用植入式腦機(jī)接口系統(tǒng)

法國Clinatec 公司W(wǎng)imagine 硬膜外無線記錄系統(tǒng)

植入式：植入式BCI 系統(tǒng)采用電極植入技術(shù)，根據(jù)腦信號(hào)的傳輸方向，可以分為流入式和流出式兩種。流入式系統(tǒng)通過記錄的腦電信號(hào)與外界通信或控制外部設(shè)備；流出式系統(tǒng)通過植入刺激電極于感知運(yùn)動(dòng)區(qū)、聽覺或視覺皮層，來恢復(fù)或增強(qiáng)人的感官功能。

作為多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域，BCI 技術(shù)涉及神經(jīng)科學(xué)、電子工程、材料科學(xué)、人工智能等多個(gè)學(xué)科，具有重大的科研價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，并在最近取得了重要的技術(shù)突破，特別是馬斯克的Neuralink 公司在侵入式BCI 方面取得了引人注目的成果。這吸引了各國政府、商業(yè)機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注和大量資源投入，有望在未來數(shù)年內(nèi)進(jìn)入技術(shù)驅(qū)動(dòng)和需求牽引的正反饋循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)BCI 領(lǐng)域的快速發(fā)展。可以預(yù)見，未來BCI 相關(guān)技術(shù)、應(yīng)用和市場生態(tài)也將成為世界各國重要的科技競爭要地。

本文摘編自《腦機(jī)接口基礎(chǔ)器件》（印二威等著. 北京 ：科學(xué)出版社，2026.01）一書“第5 章 總結(jié)與展望”“前言”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

(智能人機(jī)交互前沿技術(shù)叢書)

ISBN 978-7-03-084767-6

責(zé)任編輯：孫伯元 王 杰

本書以腦機(jī)接口基礎(chǔ)器件為對(duì)象，按照電極-芯片-系統(tǒng)的層次邏輯、非植入式-植入式的結(jié)構(gòu)順序，詳細(xì)介紹腦機(jī)接口系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與選材加工，以及其發(fā)展背景和歷程，中間穿插介紹腦機(jī)接口技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。

本書兼具知識(shí)廣度和深度，既注重基礎(chǔ)知識(shí)的介紹，也系統(tǒng)深入探討腦機(jī)接口器件的設(shè)計(jì)原理，可作為腦機(jī)接口領(lǐng)域的科普讀物，也可供相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)生、科研人員、工程技術(shù)人員等參考。

（本文編輯：劉四旦）

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