我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)“雙環(huán)路”腦機(jī)“互學(xué)習(xí)”新突破
這款基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件的無(wú)創(chuàng)演進(jìn)腦機(jī)接口系統(tǒng)，成功揭示了腦電發(fā)展與解碼器演化在腦機(jī)交互過(guò)程中的協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了人腦對(duì)無(wú)人機(jī)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(jìn)腦機(jī)接口框架。（聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)供圖）
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(guò)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(guò)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(zhǎng)時(shí)程互適應(yīng)能力較弱，工作性能隨時(shí)間顯著下降。
天津大學(xué)與清華大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一難題，發(fā)現(xiàn)腦電信號(hào)的非平穩(wěn)特性與任務(wù)腦電演變密切相關(guān)?；诖?，他們創(chuàng)新性地提出了“雙環(huán)路腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)框架”，并通過(guò)憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件加以實(shí)現(xiàn)。在“雙環(huán)路”框架下，腦與機(jī)的學(xué)習(xí)環(huán)路相互協(xié)同，共同促進(jìn)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(shí)時(shí)腦控?zé)o人機(jī)飛行。（聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)供圖）
實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)的長(zhǎng)時(shí)程交互實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)性能不僅保持穩(wěn)定，準(zhǔn)確率還提升了約20%。這一成果無(wú)疑為腦機(jī)接口技術(shù)的實(shí)用化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
天津大學(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室教授許敏鵬表示，這項(xiàng)研究不僅實(shí)現(xiàn)了生物智能與機(jī)器智能的互適應(yīng)、互學(xué)習(xí)，還為未來(lái)腦機(jī)接口系統(tǒng)的發(fā)展提供了重要的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。他透露，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將這一系統(tǒng)拓展至更多便攜式或可穿戴設(shè)備中，以滿足不同場(chǎng)景下的智能人機(jī)交互需求。
（a）協(xié)同演進(jìn)腦機(jī)解碼正確率較初始狀態(tài)提高20%；（b）任務(wù)相關(guān)腦電特征發(fā)生正向演化；（c）腦與憶阻器解碼器實(shí)現(xiàn)互適應(yīng)。（聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)供圖）
據(jù)了解，此研究由天津大學(xué)與清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)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。
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