2月17日，天津大学脑机海河实验室与清华大学集成电路学院联合宣布，成功开发出国际首个基于忆阻器神经形态器件的“双环路”无创演进脑机接口系统。这一系统不仅在脑机交互技术中实现了重大突破，还首次揭示了大脑电信号与解码器在交互过程中协同增强的机制，并成功实现了人脑对无人机的高效四自由度操控。相关成果已发表在国际顶级学术期刊《自然·电子》上。

 

1、技术突破与创新

 

脑机接口技术是实现大脑与机器直接信息交流的核心技术，被认为是新一代人机交互和人机混合智能的重要发展方向。然而，传统脑机接口系统在长时程使用中存在性能下降的问题，主要原因是大脑与机器之间的动态耦合机制尚未完全厘清。此次联合研发的“双环路”系统通过提出“脑机协同演进框架”，解决了这一难题。“双环路”脑机接口系统的核心工作机制是通过“机学习”环路和“脑学习”环路的协同作用，实现大脑与机器之间的高效互学习和协同演进。

 

 

机学习环路：该环路利用忆阻器神经形态器件构建的解码器，能够实时适应大脑电信号的波动，并动态更新解码参数。这种设计使得机器能够更好地理解和响应大脑信号。

 

脑学习环路：在这个环路中，大脑的任务相关脑电特征在“决策—反馈”循环的引导下不断优化。具体来说，大脑根据机器反馈的信息调整自身的神经活动模式，从而实现正向演化。

 

协同演进机制：在“双环路”框架下，大脑与机器通过长期的信息交互，逐步实现生物智能与机器智能的互适应和互学习。实验表明，在连续6小时的长时程交互中，系统性能不仅没有下降，准确率还提升了约20%，这体现了脑机协同演进的优势。

 

这种创新的“双环路”设计不仅突破了传统脑机接口的性能瓶颈，还为未来便携式或可穿戴脑机接口设备的研发提供了新的思路。在该框架下，“机学习”环路中的忆阻器解码器能够适应脑电信号的波动，完成解码参数的实时更新；而“脑学习”环路则通过“决策—反馈”循环引导任务相关脑电特征的正向演化。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。

 

2、应用前景

 

与传统纯数字硬件方案相比，“双环路”脑机接口系统在精度、能耗和任务处理能力上均实现了质的飞跃。具体而言，其归一化解码速度提升了两个数量级（百倍以上），能耗降低了三个数量级（千分之一以下）。在实际应用中，该系统能够高效支撑无人机完成上下、左右、前后、旋转四自由度任务目标，而传统无创脑机接口技术通常只能实现简单的二自由度飞行。

 

在连续6小时的长时程脑机交互实验中，系统展现了显著的智能演进特性：初期以解码器的自适应更新为主，随着时间推移，大脑的贡献逐步增加，最终脑机接口性能不仅没有下降，准确率还提升了约20%。

 

天津大学脑机海河实验室许敏鹏教授表示，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。未来，该系统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。

 

这一成果不仅为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。

来源：Medtech Dive 医潜

关键词： 脑机接口系统