天大🤝清华，国际首个「双环路」脑机接口系统问世

生物学霸 · 公众号 · 生物 · 2025-03-01 17:00

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来源：天津大学

更高精度、更低能耗

能处理更复杂任务的脑机接口系统

出现了！

2 月 17 日

天津大学脑机海河实验室

和清华大学集成电路学院强强联手

开发了一款基于忆阻器神经形态器件的

新型无创演进脑机接口系统

这项研究首次揭示了

脑电发展与解码器演化

在脑机交互过程中的协同增强效应

成功实现了人脑对无人机的

高效四自由度操控

相关成果已在线发表于

国际权威期刊《自然 · 电子》

协同演进脑机接口框架

脑机接口能实现大脑与机器直接信息交流，促进生物智能与机器智能融合，被公认为是新一代人机交互和人机混合智能的核心技术。如何通过脑机之间的信息交互实现「互学习」，进而促进脑机智能的协同演进，是突破脑机性能瓶颈的重点和难点。但目前脑机交互过程中大脑与机器的动态耦合机制尚未厘清，导致脑机之间的长时程互适应能力较弱，工作性能随时间下降严重。

（a）脑-忆阻器交互式更新框架;

（b）基于忆阻器脑电解码的实时脑控无人机飞行

天津大学与清华大学研究团队发现，脑电信号中的非平稳特性不仅来源于传统观点认为的背景脑电变异，而且与闭环脑机交互引导下的任务脑电演变密切相关。基于这一发现，团队首次提出了「双环路脑机协同演进框架」，并通过忆阻器神经形态器件构建了全新的脑机接口系统。在双环路框架下，「机学习」环路中的忆阻器解码器通过适应脑电信号波动完成解码参数更新，「脑学习」环路中的任务相关脑电特征在「决策-反馈」循环的引导下不断正向演化。相关算法基于 128kb 规模的忆阻器神经形态器件实现了硬件化部署，将脑电信号的多步计算过程优化为单步计算。相比于传统纯数字硬件方案，忆阻器新方案的归一化解码速度提高了 2 个数量级（百倍）以上，能耗降低了 3 个数量级（千分之一）以下，高效支撑了四自由度脑控无人机任务目标的成功实现。在连续 6 小时的长时程脑机交互实验中，大脑和解码器的贡献比例呈现动态变化，呈现出脑机协同演进的过程：初期以解码器自适应更新为主，随着时间推移，大脑贡献逐步增加，最终脑机接口性能不仅没有下降，其准确率还提升了约 20%。

（a）协同演进脑机解码正确率较初始状态提高 20%；

（b）任务相关脑电特征发生正向演化；

（c）脑与忆阻器解码器实现互适应

「这项研究首次提出了脑机协同演进的概念，并基于忆阻器神经形态器件完成了技术验证，通过长时程大脑与忆阻器神经形态器件之间的信息交互初步实现了生物智能与机器智能的互适应、互学习，为研发未来实用型脑机接口系统提供了重要的理论基础与技术支撑，也为脑机融合智能的发展开辟了新的方向。」国家高层次人才计划入选者、天津大学脑机海河实验室许敏鹏教授表示。「我们这款系统未来计划拓展到更多便携式或可穿戴脑机接口设备中，服务于消费级、医疗级等各类智能人机交互实用场景。」

据了解，该研究由天津大学与清华大学团队合作开展：天津大学脑机海河实验室团队完成协同演进脑机接口软件系统设计与范式算法实现，清华大学集成电路学院团队完成协同演进忆阻器神经形态器件硬件设计及忆阻器算法设计部署。清华大学博士毕业生（现为香港大学研究助理教授）刘正午、天津大学博士研究生梅杰为共同第一作者，天津大学许敏鹏教授、明东教授与清华大学唐建石副教授、吴华强教授为共同通讯作者。

投稿邮箱：[email protected]

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