01“意念控制”不一定非得用腦

在前瞻布局腦機(jī)接口和神經(jīng)技術(shù)的商業(yè)巨頭中，Meta走非侵入式路線，核心聚焦神經(jīng)運(yùn)動(dòng)接口與非侵入式腦電/腦磁語言解碼兩大方向，服務(wù)于元宇宙、AR/VR、消費(fèi)電子與無障礙交互，與Neuralink的侵入式路線形成鮮明分野。近日，Meta旗下Reality Labs資助6支高校團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步升級其sMEG神經(jīng)腕帶技術(shù)，包括用于聲控表達(dá)的sEMG自適應(yīng)界面、優(yōu)化基于多sEMG的通信帶寬、優(yōu)化中樞神經(jīng)系統(tǒng)完好和受損人群的肌電接口學(xué)習(xí)等主題，助力其Meta Neural Band（神經(jīng)腕帶）等產(chǎn)品落地。

雖然目前基于各類腦信號的腦機(jī)接口是媒體聚焦的熱點(diǎn)，但在人機(jī)交互、可穿戴設(shè)備以及智能康復(fù)產(chǎn)品快速發(fā)展的今天，基于周圍神經(jīng)信號的神經(jīng)接口的規(guī)�；瘧�(yīng)用潛力仍不可小覷。而且由于其不直接采集腦信號，公眾接受度可能更高。不過，雖然以表面肌電圖（sEMG）為核心的肌肉交互技術(shù)已占據(jù)主導(dǎo)地位數(shù)十年，卻始終難以突破信號串?dāng)_、電磁干擾、傳感器穩(wěn)定性差等技術(shù)瓶頸，導(dǎo)致大量上肢假肢用戶因操控困難而放棄使用。Meta的近期舉措也正說明了這一問題。

結(jié)合了AR和神經(jīng)腕帶技術(shù)的Meta Ray-Ban眼鏡

02為何棄“電”用“光”

近日，來自俄羅斯斯科爾科沃科技學(xué)院、莫斯科國立大學(xué)等機(jī)構(gòu)的團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出基于光肌圖（Optomyography，OMG）的可穿戴腕帶系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)肌肉活動(dòng)的連續(xù)實(shí)時(shí)解碼，讓健康人與截肢者都能快速掌握類鼠標(biāo)光標(biāo)控制、甚至流暢游玩俄羅斯方塊，為下一代神經(jīng)假肢與可穿戴人機(jī)界面開辟全新路徑。

作為人體與機(jī)器之間的“翻譯官”，傳統(tǒng)肌電交互依賴電極采集肌肉電信號，在實(shí)際應(yīng)用中暴露出諸多短板：電極貼合要求高、信號易受電器與運(yùn)動(dòng)噪聲干擾、不同肌肉信號相互串?dāng)_、深層肌肉活動(dòng)難以捕捉，即便搭配先進(jìn)算法，仍需要使用者付出大量精神力才能完成精準(zhǔn)控制。尤其對于全球超過2500萬上肢截肢患者而言，商用肌電假肢笨重、操控復(fù)雜、缺乏感官反饋，高棄用率一直是行業(yè)難題。為此，研究團(tuán)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向光學(xué)檢測技術(shù)，提出用光信號替代電信號，打造更穩(wěn)定、更自然、更易用的肌肉交互方案。

光肌圖（OMG）是一種非侵入式肌肉活動(dòng)檢測技術(shù)，核心原理是利用生物組織對700-1000nm近紅外光的相對透光性，通過發(fā)光二極管向肌肉組織發(fā)射紅外光，再由光電探測器測量散射光強(qiáng)度，以此反映肌肉收縮時(shí)的血液灌注與氧合變化。

瑞典皇家理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)2015年首次提出光肌圖

相比傳統(tǒng)肌電技術(shù)，OMG具備天然優(yōu)勢：信噪比更高、不受電磁干擾影響、硬件結(jié)構(gòu)緊湊，無需復(fù)雜電極固定，能更穩(wěn)定地捕捉肌肉活動(dòng)信息。在此之前，全球已有多項(xiàng)OMG手勢識(shí)別研究，但均停留在離散指令解碼階段，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)、順滑的實(shí)時(shí)控制，難以滿足光標(biāo)移動(dòng)、精細(xì)操作等實(shí)用需求。

0350通道柔性光肌圖腕帶設(shè)計(jì)

本次研究團(tuán)隊(duì)攻克這一關(guān)鍵難題，打造出一款50通道柔性O(shè)MG腕帶，設(shè)備由4個(gè)940nm紅外LED與10個(gè)光電晶體管組成，以特定陣列排布形成高靈敏度檢測單元，佩戴于前臂腹側(cè)即可采集肌肉光學(xué)信號。

注：OMG腕帶（a）被放置在前臂的腹側(cè)（b）。光電晶體管排列成四個(gè)17.6×17.6毫米的正方形。每個(gè)正方形的中心都放置了一個(gè)紅外LED。光電晶體管和紅外LED都有一個(gè)透明硅膠保護(hù)罩，該保護(hù)罩起到了透鏡的作用。每位參與者都完成了一項(xiàng)校準(zhǔn)程序，在手部運(yùn)動(dòng)期間進(jìn)行OMG記錄（c）。在校準(zhǔn)過程中，參與者執(zhí)行了帶有12個(gè)目標(biāo)的中心外任務(wù)（d）。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)被用于訓(xùn)練一個(gè)小型多層感知器。

為實(shí)現(xiàn)高效實(shí)時(shí)解碼，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了輕量化全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，僅包含單隱藏層與50個(gè)神經(jīng)元，無需復(fù)雜預(yù)處理就能直接處理50通道OMG數(shù)據(jù)，推理速度低于33毫秒，與設(shè)備采樣率完美匹配，保證操控?zé)o延遲、無卡頓。整套系統(tǒng)校準(zhǔn)流程僅需5-15分鐘，普通人無需專業(yè)訓(xùn)練就能快速上手。

04 首次訓(xùn)練即可基本掌握，5次逐漸熟練

為全面驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)用性，研究團(tuán)隊(duì)招募9名受試者開展對照實(shí)驗(yàn)，其中包含8名22-26歲的健康志愿者，以及1名38歲雙手手指截肢的受試者。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為校準(zhǔn)、訓(xùn)練、實(shí)時(shí)操控三個(gè)階段，核心任務(wù)為模擬電腦鼠標(biāo)的中心外指向任務(wù)：屏幕隨機(jī)出現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)位，受試者通過12種方向手勢移動(dòng)光標(biāo)，握拳手勢模擬鼠標(biāo)點(diǎn)擊完成目標(biāo)選中。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)置軌跡偏差、耗時(shí)偏差、目標(biāo)捕獲時(shí)間、誤點(diǎn)擊次數(shù)等6項(xiàng)核心指標(biāo)，結(jié)合菲茨定律（Fitts’s Law）量化操控性能。

所有受試者均在首次訓(xùn)練中掌握基本操控能力，前5次訓(xùn)練周期內(nèi)，軌跡精度、目標(biāo)捕獲效率、操作速度均出現(xiàn)顯著提升，多項(xiàng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異明顯。即便在實(shí)驗(yàn)后期因腕帶輕微位移出現(xiàn)性能小幅波動(dòng)，受試者仍能保持穩(wěn)定操控。模型解碼均方誤差（MSE）低至0.068-0.098，與隨機(jī)預(yù)測結(jié)果差異顯著，證明方向與點(diǎn)擊手勢識(shí)別高度精準(zhǔn)。尤其值得關(guān)注的是，截肢受試者同樣快速掌握操控邏輯，在光標(biāo)指向任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)異，展現(xiàn)出該技術(shù)在假肢控制領(lǐng)域的真實(shí)潛力。

為進(jìn)一步貼近生活場景，研究團(tuán)隊(duì)還將OMG系統(tǒng)接入俄羅斯方塊游戲，讓健康受試者與截肢受試者分別進(jìn)行測試。結(jié)果顯示，兩人均能流暢完成方塊左右移動(dòng)、加速下落、旋轉(zhuǎn)等操作，持續(xù)游玩7-10分鐘并分別取得1705分和1683分的成績。

截肢受試者反饋，該系統(tǒng)操控輕松有趣，低速狀態(tài)下指令精準(zhǔn)可靠，僅在游戲高速階段出現(xiàn)少量誤操作；健康受試者則表示，在連續(xù)方向切換與旋轉(zhuǎn)操作中，系統(tǒng)響應(yīng)順滑，完全能滿足娛樂交互需求。這也是全球首次實(shí)現(xiàn)基于OMG技術(shù)的連續(xù)實(shí)時(shí)游戲操控，證明該技術(shù)不僅適用于康復(fù)醫(yī)療，還能拓展至消費(fèi)電子、虛擬現(xiàn)實(shí)等多元場景。

05 OMG的應(yīng)用潛力

通過菲茨定律、信息吞吐量、路徑效率等指標(biāo)對比，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，光肌圖（OMG）系統(tǒng)整體性能與傳統(tǒng)sEMG系統(tǒng)相當(dāng)，多數(shù)受試者決定系數(shù)R2超過0.9，信息吞吐量高于0.5比特/秒，路徑效率達(dá)75%以上，符合實(shí)用化人機(jī)交互標(biāo)準(zhǔn)。更重要的是，OMG規(guī)避了sEMG的核心缺陷，無需擔(dān)心電磁干擾與信號串?dāng)_，佩戴更舒適、操控更自然，截肢者無需過度緊繃肌肉就能發(fā)出穩(wěn)定指令，大幅降低使用門檻。

研究團(tuán)隊(duì)在論文中指出，本次OMG系統(tǒng)仍存在部分優(yōu)化空間：腕帶位移會(huì)導(dǎo)致信號漂移、中立位握拳手勢識(shí)別難度較高、僅測試單例截肢患者，樣本量有限。但這些問題均有明確解決方案，未來可通過加入慣性測量單元（IMU）融合感知、優(yōu)化信號濾波算法、設(shè)計(jì)自適應(yīng)校準(zhǔn)機(jī)制、定制化傳感器排布等方式逐一解決。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)提出將OMG與sEMG技術(shù)融合，利用兩種信號的互補(bǔ)性進(jìn)一步提升解碼精度與穩(wěn)定性，打造更強(qiáng)大的混合式神經(jīng)交互界面。

從臨床價(jià)值來看，這項(xiàng)技術(shù)為截肢者、中風(fēng)患者等運(yùn)動(dòng)功能障礙人群帶來全新康復(fù)希望。輕量化OMG腕帶可直接集成于智能假肢，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、連續(xù)、低負(fù)擔(dān)的肢體控制，配合游戲化康復(fù)訓(xùn)練，既能提升康復(fù)效果，又能降低幻肢痛發(fā)生率。從產(chǎn)業(yè)角度，該技術(shù)硬件成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、適配性強(qiáng)，可快速應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、智能家居、虛擬現(xiàn)實(shí)、電競交互等領(lǐng)域，有望成為下一代人機(jī)交互與神經(jīng)康復(fù)的核心技術(shù)之一。

論文信息：

標(biāo)題：Wearable optomyography enables continuous neuroprosthetic control

發(fā)表日期：2026/3/21

期刊：Scientific Reports

DOI：https://doi.org/10.1038/s41598-025-32646-y

來源 | Scientific Reports、腦機(jī)接口星球

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