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天津大學(xué)與清華大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)出國(guó)際首個(gè)基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件的“雙環(huán)路”無(wú)創(chuàng)演進(jìn)腦機(jī)接口系統(tǒng)

嘉峪檢測(cè)網(wǎng)        2025-02-18 15:12

2月17日,天津大學(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室與清華大學(xué)集成電路學(xué)院聯(lián)合宣布,成功開(kāi)發(fā)出國(guó)際首個(gè)基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件的“雙環(huán)路”無(wú)創(chuàng)演進(jìn)腦機(jī)接口系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅在腦機(jī)交互技術(shù)中實(shí)現(xiàn)了重大突破,還首次揭示了大腦電信號(hào)與解碼器在交互過(guò)程中協(xié)同增強(qiáng)的機(jī)制,并成功實(shí)現(xiàn)了人腦對(duì)無(wú)人機(jī)的高效四自由度操控。相關(guān)成果已發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·電子》上。

 

1、技術(shù)突破與創(chuàng)新

 

腦機(jī)接口技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大腦與機(jī)器直接信息交流的核心技術(shù),被認(rèn)為是新一代人機(jī)交互和人機(jī)混合智能的重要發(fā)展方向。然而,傳統(tǒng)腦機(jī)接口系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)程使用中存在性能下降的問(wèn)題,主要原因是大腦與機(jī)器之間的動(dòng)態(tài)耦合機(jī)制尚未完全厘清。此次聯(lián)合研發(fā)的“雙環(huán)路”系統(tǒng)通過(guò)提出“腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)框架”,解決了這一難題。“雙環(huán)路”腦機(jī)接口系統(tǒng)的核心工作機(jī)制是通過(guò)“機(jī)學(xué)習(xí)”環(huán)路和“腦學(xué)習(xí)”環(huán)路的協(xié)同作用,實(shí)現(xiàn)大腦與機(jī)器之間的高效互學(xué)習(xí)和協(xié)同演進(jìn)。

 

 

機(jī)學(xué)習(xí)環(huán)路:該環(huán)路利用憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件構(gòu)建的解碼器,能夠?qū)崟r(shí)適應(yīng)大腦電信號(hào)的波動(dòng),并動(dòng)態(tài)更新解碼參數(shù)。這種設(shè)計(jì)使得機(jī)器能夠更好地理解和響應(yīng)大腦信號(hào)。

 

腦學(xué)習(xí)環(huán)路:在這個(gè)環(huán)路中,大腦的任務(wù)相關(guān)腦電特征在“決策—反饋”循環(huán)的引導(dǎo)下不斷優(yōu)化。具體來(lái)說(shuō),大腦根據(jù)機(jī)器反饋的信息調(diào)整自身的神經(jīng)活動(dòng)模式,從而實(shí)現(xiàn)正向演化。

 

協(xié)同演進(jìn)機(jī)制:在“雙環(huán)路”框架下,大腦與機(jī)器通過(guò)長(zhǎng)期的信息交互,逐步實(shí)現(xiàn)生物智能與機(jī)器智能的互適應(yīng)和互學(xué)習(xí)。實(shí)驗(yàn)表明,在連續(xù)6小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)程交互中,系統(tǒng)性能不僅沒(méi)有下降,準(zhǔn)確率還提升了約20%,這體現(xiàn)了腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。

 

這種創(chuàng)新的“雙環(huán)路”設(shè)計(jì)不僅突破了傳統(tǒng)腦機(jī)接口的性能瓶頸,還為未來(lái)便攜式或可穿戴腦機(jī)接口設(shè)備的研發(fā)提供了新的思路。在該框架下,“機(jī)學(xué)習(xí)”環(huán)路中的憶阻器解碼器能夠適應(yīng)腦電信號(hào)的波動(dòng),完成解碼參數(shù)的實(shí)時(shí)更新;而“腦學(xué)習(xí)”環(huán)路則通過(guò)“決策—反饋”循環(huán)引導(dǎo)任務(wù)相關(guān)腦電特征的正向演化。相關(guān)算法基于128kb規(guī)模的憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件實(shí)現(xiàn)了硬件化部署,將腦電信號(hào)的多步計(jì)算過(guò)程優(yōu)化為單步計(jì)算。

 

2、應(yīng)用前景

 

與傳統(tǒng)純數(shù)字硬件方案相比,“雙環(huán)路”腦機(jī)接口系統(tǒng)在精度、能耗和任務(wù)處理能力上均實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。具體而言,其歸一化解碼速度提升了兩個(gè)數(shù)量級(jí)(百倍以上),能耗降低了三個(gè)數(shù)量級(jí)(千分之一以下)。在實(shí)際應(yīng)用中,該系統(tǒng)能夠高效支撐無(wú)人機(jī)完成上下、左右、前后、旋轉(zhuǎn)四自由度任務(wù)目標(biāo),而傳統(tǒng)無(wú)創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)通常只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的二自由度飛行。

 

在連續(xù)6小時(shí)的長(zhǎng)時(shí)程腦機(jī)交互實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)展現(xiàn)了顯著的智能演進(jìn)特性:初期以解碼器的自適應(yīng)更新為主,隨著時(shí)間推移,大腦的貢獻(xiàn)逐步增加,最終腦機(jī)接口性能不僅沒(méi)有下降,準(zhǔn)確率還提升了約20%。

 

天津大學(xué)腦機(jī)海河實(shí)驗(yàn)室許敏鵬教授表示,這項(xiàng)研究首次提出了腦機(jī)協(xié)同演進(jìn)的概念,并基于憶阻器神經(jīng)形態(tài)器件完成了技術(shù)驗(yàn)證。未來(lái),該系統(tǒng)計(jì)劃拓展到更多便攜式或可穿戴腦機(jī)接口設(shè)備中,服務(wù)于消費(fèi)級(jí)、醫(yī)療級(jí)等各類智能人機(jī)交互實(shí)用場(chǎng)景。

 

這一成果不僅為未來(lái)實(shí)用型腦機(jī)接口系統(tǒng)提供了重要的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐,也為腦機(jī)融合智能的發(fā)展開(kāi)辟了新的方向。

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來(lái)源:Medtech Dive 醫(yī)潛

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