天津大学青年科研团队探索脑机接口新未来

爱你我会红x

孟琳（右二）指导学生做实验。受访者供图

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39岁的设计师李华（化名）曾以为，自己再也握不住画笔——一场突如其来的脑梗，让他的运动神经受到损伤。曾经依靠双手创造作品的他，右手僵直，手指无法完成屈伸动作。抱着试试看的心态，他参与了天津大学神经工程团队的脑机接口康复训练。
# I% K/ {; z9 O  x' m1 @0 _训练时，他穿戴上“神工－灵犀指”设备，在脑海中一次次想象“第六指抓握”这一动作，微弱脑电信号被设备精准捕捉，康复设备随之做出对应动作，触觉反馈传回大脑，持续激活受损神经通路……进行了为期两周的训练后，李华亲手拿起桌上的小物块递给了自己的孩子。
0 q1 Q% |1 s7 T& r这一幕，是天津大学青年科研人员推动脑机接口从实验室走向应用的生动呈现。

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天津大学科研人员正在对“神工－神行”进行调试。受访者供图

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让脑与机“对话”的通道掌握在自己手中
“脑机接口本质是一条信息通路，一端连接大脑，一端连接外部设备。”天津大学医学部医学院副教授王坤告诉记者。
要想从脑电波中准确捕捉有效信息，并将人的运动意图转化为机器能够识别的指令，需要高性能芯片、脑电采集设备以及算法模型共同支撑。而在我国脑机接口研究起步阶段，这些关键技术和设备曾依赖进口。
中电云脑（天津）科技有限公司（以下简称“中电云脑”）总经理、脑机交互与人机共融海河实验室副主任程龙龙2005年在天津大学攻读生物医学工程硕士时，便开始接触脑机接口研究。回忆起那段经历，他坦言：“刚开始做的时候，我们连最基础的脑电采集设备都没有，只能花高价购买国外设备，算法训练也大多依赖公开数据集，很多研究都受制于人。”
对于科研人员而言，没有自主设备，就意味着很多探索受到限制。程龙龙意识到，要推动脑机接口真正发展，首先要解决“工具”的问题。“要让脑与机‘对话’的通道牢牢掌握在自己手中。”
从最初依赖进口设备，到自主研发关键器件；从借鉴国外经验，到建立自己的技术体系，天津大学科研团队联合多家高校、企业和科研院所，围绕非侵入式脑机接口核心技术持续攻关，一系列核心成果相继落地。
4 F4 J7 a$ `& g# t其中，“脑语者”芯片的突破，是我国非侵入式脑机接口自主化发展的重要一步。
这款由天津大学联合中国电子信息产业集团有限公司旗下中电云脑共同研发的芯片，能够识别出头皮脑电中极微弱的神经信息，高效解码用户操作指令，极大提升大脑与机器间的通信效率，实现了关键核心技术的自主可控。
而这支研发队伍平均年龄不到35岁。在脑机交互与人机共融海河实验室副主任刘秀云看来，年轻科研人员的成长，是推动这项技术不断突破的重要力量。
作为“脑语者”芯片重点研发计划项目首席科学家，刘秀云表示，芯片研发是一个高投入、高挑战、高难度的工作。无创脑机芯片要让机器捕捉到大脑发出的微弱信号，需要在共模抑制比、信噪比等一个个关键指标上不断突破。
1 S* x  e+ k7 e6 [! M为了提高脑电信号采集质量，并扩大后期落地应用范围，团队从管脚排布，到放大电路、滤波电路等模块，再到接口设计及封装等不断优化，经过千百次的迭代，最后优秀结题。“研发过程中，出现过无数的问题，比如采集芯片与编解码芯片之间的连通、比如管脚及DSP布线等如何更高效，但是团队一起坚定信心、接续奋斗，把一个个的难题都攻破了。”刘秀云回忆。
天津大学生物医学工程专业博士毕业生马真记得，在解决采集芯片与编解码芯片之间连通问题的那段时间，他和团队成员几乎每天都守在实验室里寻找问题原因，一次次测试、分析、调整。为了观察信号稳定性，他有时一天要在实验室工作10个小时。实验间隙，快速吃饭、简单休息，再回到测试设备前继续调试。
+ y2 n. U  D. y0 y一次次排查，一轮轮验证。终于，当采集芯片与编解码芯片实现稳定连接时，实验室里的年轻人不约而同欢呼起来。连日来的疲惫，在突破难题的那一刻被冲散。
9 M( h* y% d& l$ ^% w" L1 [脑机接口研发并不是一个人的战斗。脑机接口是一门交叉学科，涉及生物医学工程、临床医学、电子信息等多个领域。芯片工程师关注电路参数和硬件指标，临床科研人员更关心设备是否真正适用于患者。不同学科之间的沟通，也是芯片研发中的一大挑战。“大家需要用对方能理解的语言交流。”刘秀云说。为推动项目进展，团队建立定期交流机制，不同方向科研人员保持高频沟通。
从一开始的完全创新，到最后实现落地，“脑语者”芯片历经了多次迭代。程龙龙介绍，如今，中电云脑自主研发的大部分脑电采集设备，都已经采用“脑语者”芯片作为核心硬件。国产核心技术的突破，让脑机接口设备朝着更加便携化、日常化方向发展，也为未来更多应用场景拓展了空间。
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刘秀云（左一）在实验室开展科研、教学工作。受访者供图

“希望能为神经疑难病症患者提供全新的诊疗路径”
$ R2 x, D# Q9 C5 L% J& K; ^. o: b对于天津大学这群青年科研人员来说，研发芯片、发表论文、实现技术突破，从来不是最终目的。他们更关心的是实验室里的成果，能否真正走进病房；屏幕上的数据，能否转化为患者重新生活的希望。
7 L- }/ ]& h: C) p  ]4 }9 M  j“做真有用、有大用的脑机接口。”这是团队一直坚持的方向。
9 K# |$ S4 @6 u4 x7 Y& f3 p但从实验室到医院，并不是简单的一步跨越。
“实验室的环境是比较理想的，但临床场景远比实验室复杂。”王坤说。
- j/ y: z3 T# a6 V' i& t医院病房里，各类医疗设备带来的电磁干扰，让本就微弱的脑电信号更加难以识别；脑卒中患者受损后的神经通路发生改变，脑电活动往往微弱且不规律；不同年龄、不同病程、不同病灶位置的患者，脑电特征又各不相同。
这些因素都会影响脑机接口系统对患者运动意图的识别精度。“实验室训练出来的模型，直接搬到医院，效果往往会打折扣。”王坤说。
为打通实验室到病房的适配壁垒，王坤和团队成员开展了实验室场景和模拟病房场景的跨场景迁移学习技术研究，同时基于大量真实脑卒中患者的脑电数据，不断对解码模型进行更新。“我们获得的样本量越多，训练出来的模型肯定是越好的。”她说。
在她看来，脑机接口不是停留在实验室里的技术展示，而是一项最终要服务患者的医疗创新。“希望能为神经疑难病症患者提供全新的诊疗路径。”

黄帅飞（右一）指导学生优化外肢体手指设计。受访者供图

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* K0 k3 o3 p; Q! N3 e推动脑机接口从实验室走向应用
同样的坚持，也贯穿在“神工－灵犀指”的研发过程中。
/ \5 I7 `) n7 P作为一款脑控外肢体手指机器人，“神工－灵犀指”并不是简单替代患者完成动作，而是通过人为增加一根机械“第六指”，唤醒患者的功能障碍中枢与外周神经系统，助力手部运动功能康复。
但要让一根机械手指真正理解人的意图、适应不同患者并不容易。脑机交互与人机共融海河实验室青年科学家黄帅飞，是“神工－灵犀指”研发的重要参与者。
为了提高设备在不同环境下的稳定性，也为了验证不同患者的适配效果，团队成员曾经集体参与测试。“一边调系统，一边自己当测试人员。”黄帅飞回忆。
6 U3 M- R9 Z7 X  h3 M测试时，科研人员需要戴上脑电帽，在头皮涂抹导电膏。一次测试，往往持续几个小时。导电膏干了，就去洗头，头发吹干后，再重新涂抹，继续测试。这样的过程，在团队里重复了无数次。
为了找到最优方案，团队仅机械结构设计就修改了20多个版本，整机样机先后迭代30余套。每一次调整，可能只是改变一个角度、一处连接、一项参数，却意味着又一次重新验证。“科研很多时候就是这样，一遍遍试，一遍遍改。”黄帅飞告诉记者。
1 u* r. Q& m, ]2 @除了设备本身，如何适配不同患者，也是研发过程中必须面对的问题。患者头型不同，脑电信号特征各异。为此，黄帅飞和团队准备了多种规格脑电帽，并建立个性化校准模型。“几乎每位患者，我们都要重新建模。”
2 t, R6 q% V3 R; i7 j% @+ z记者在天津大学脑机交互与人机共融海河实验室与天津市环湖医院合作建设的全国首个脑机接口综合临床实验病区看到，“神工－灵犀指”已经能够稳定运行，患者可通过外肢神经重塑训练，不断康复上肢及手部运动功能。
4 m9 x( E( w; v& Y5 T$ j如果说“神工－灵犀指”帮助患者重新“握住”生活，那么，天津大学医学部医学院副院长孟琳关注的，则是如何帮助患者重新“站起来”。
2018年，结束海外深造后，孟琳放弃国外工作机会，回到天津大学任教。她希望，把自己的研究真正用在国内患者身上。“科研最终还是要解决实际问题。”
她所在团队研发的脑控下肢混动外骨骼康复机器人“神工－神行”，突破了单一机械辅助训练神经可塑性差的瓶颈，将机械外骨骼的电机驱动和功能性电刺激两种驱动方式结合起来。
机械外骨骼负责提供稳定、安全的步态支撑，功能性电刺激则直接作用于患者神经和肌肉，唤醒其主动运动能力。“两种驱动机制不一样，配合不好就会‘打架’。”孟琳说。
为了让两套系统真正协同工作，团队曾对方案进行了多次推翻验证。
在初步临床验证阶段，团队成员白天在医院跟进患者训练，晚上回到实验室分析数据、调整方案。几个月时间里，控制模型迭代优化了无数版，硬件也迭代了三版。
$ N' A7 s, M7 C& O0 ~; V而真正让孟琳感受到技术价值的，是患者凭着自身意念站稳、自主迈出脚步的瞬间。
* V+ u8 L- b' Z( B* W“我们不想让患者只是被机器拖拽着肢体进行训练。”孟琳说，“我们希望借助脑机技术，让他们依靠自己的意念主动调动神经、肌肉完成运动康复训练。”
2024年，“神工－神行”启动临床测试时，一位主动参与测试的老人给孟琳留下了深刻印象。
老人脑卒中后偏瘫，曾经一度不愿出门，在康复训练过程中，行动功能逐渐改善。后来，他对孟琳说：“我觉得你们天津大学的团队在做一件特别有意义的事情。我特别愿意参与你们的测试，希望你们的设备越来越好，用到更多患者身上。”
这句话，孟琳一直记在心里。“那一刻真的觉得被理解了。患者、医生和我们科研工作者互相支持，也共同推动脑机接口从实验室走向应用。”
从“受制于人”到“自主突破”，再到探索未来
2019年，黄帅飞进入天津大学攻读硕士研究生时，团队在脑机接口研发中仍然大多使用国外脑电采集设备。
那时，一台设备从下单采购到最终到位，往往需要等待半年甚至一年。漫长的等待限制着科研人员探索的速度。“现在完全不一样了。”提起国产设备的发展变化，黄帅飞说，“今天打采购电话，明天设备可能就送到了，价格也降下来了，研发效率提高了很多。”
从依赖进口设备，到拥有自研产品，国产脑机接口技术体系正在逐步完善。对于科研人员而言，这不仅意味着实验条件的改善，更意味着创新主动权的提升。
7 C4 }# K. r- L: \天开燧世（天津）智能科技有限公司副总经理汤佳贝坦言，2012年，他在天津大学就读，选择脑机接口方向时，行业还十分冷门。如今产业链日趋完善，大批95后、00后青年主动投身脑机接口研究。
记者了解到，今年，天津大学申请开设的全国首个“脑机科学与技术”本科专业正式获教育部批准设立，为未来脑机接口领域人才培养和技术创新注入新的动力。
; T: v9 S7 o# k; ]& w1 F* O从科研探索到人才培养，脑机接口正在进入新的发展阶段。对于天津大学科研团队而言，未来的目标是让脑机接口成为能够服务更多人的技术。
目前，依托国产脑机接口发展体系，团队正持续推进设备小型化、低成本化发展，推动芯片、医疗器械等上下游产业协同发展。
从最初连一台自主脑电采集设备都没有，到如今拥有自主芯片和先进产品，天津大学科研团队走过的是一条从“受制于人”到“自主突破”，再到探索未来的技术攻坚之路。
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