文/本刊记者 韦斗斗 特约通讯员 那睿

2019北京双创周展览现场，一款名为“脑控轮椅”的黑科技引起媒体关注。这款用“意识”控制的轮椅，以其便捷的操作、可控性以及“高颜值”的外表吸引了众多参观人员上前咨询、体验。

这款“脑控轮椅”来自北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院先进传感技术实验室，由博士生导师郑德智教授团队研发。

时间回到2018年10月，北京航空航天大学“冯如杯”科技竞赛开始预热。郑德智的学生、研发团队成员张亚军说道：“轮椅最初的构想源于一名本科生，他找到郑老师，想在实验室去年指导学生完成的“脑控密码键盘”项目基础上，实现一个脑机接口项目。

今年5月18日，“冯如杯”科技竞赛拉开帷幕，该研发项目夺得本届科技创新竞赛一等奖。作品名称为稳态视觉诱发脑电控制的智能轮椅，简称“脑控轮椅”。这项科技发明创新究竟有什么奥秘呢？我们来一探究竟。

突破技术瓶颈，填补市场空缺

基于稳态视觉诱发电位的“脑控轮椅”系统，是通过视觉刺激诱发不同的人脑信号，然后对其进行分析与处理以提取出反映人意图的特征，进而将这些信号特征转换成控制轮椅的具体指令，从而实现人对轮椅的控制。

“脑控轮椅”传感器

“脑控轮椅”研发团队部分成员

市场上基于稳态视觉诱发电位的“脑控轮椅”，大多采用实验研究用的脑电放大器来构建系统。虽然这些脑电放大器能够确保采集的脑电信号具有较高的质量进而便于脑电解码，但却会导致了整个系统笨重、成本增加和不便于携带等问题。

研发团队还注意到，由于脑电信号幅值微弱，且易受周围环境及其他电生理信号干扰，传统的脑电辅助康复EEG 采集系统都是针对处于坐、卧等静止状态的受试者设计的，记录通常采用湿电极传感器，虽然导电膏降低了接触阻抗，提高了采集信号的质量，但是涂抹导电膏费时费力，无法长时间使用，严重时甚至会引起皮肤的过敏。这些不便在很大程度上限制了采集脑电信号的实用性日常性。

为了提高脑控轮椅系统的便携性，郑德智团队利用长期从事传感器敏感机理及微弱信号检测研究积累的丰富工作经验，自主研制了一套干电极脑电采集系统，避免了传统湿电极使用不便和国外有源干电极体积大等问题，实现了脑电微弱信号的精确测量，真正做到了即戴即用，显著缩短了脑电帽的佩戴准备时间，并且用后无需清理头发，具有极高的便捷性和使用舒适度，为脑-机接口的真正实用化和推广打下了良好的基础。同时团队也研制了适合于干电极检测的低信噪比脑机接口系统及配套的信息编码与解调系统，实现了微弱脑电信信号的实时解调。

目前国内外大多数基于稳态视觉诱发电位的脑控轮椅系统采用的低频刺激，能够诱发出较强的稳态视觉诱发电位，但低频刺激闪烁强烈,易引起用户疲劳。本项目创新采用中频段刺激，提高了用户的舒适度。不过，中频段诱发的脑电信号相比较低频段更加微弱，团队又对此进行研究，最终真正实现了15-30Hz中频段刺激的实时解调。

“脑控轮椅”系统中，首先由安装于轮椅上部的显示屏产生刺激界面，各个目标按照互不相同的固定频率进行闪烁，当使用者需要控制轮椅执行某种指令时，仅需将视线集中于对应的目标，接着会在使用者的大脑皮层产生相对应的稳态视觉诱发电位。通过数据采集，系统对该电位进行收集及预处理，得到处理后的数字信号通过蓝牙传输给上位机进行分析。上位机对传输回的信号进行特征提取和分类，得到相对应的设备命令，按照一定的编码格式通过串口传递给下位机。下位机收到指令后，按照相应的方法进行解码，得到需完成的设备指令，通过PWM口输出相应的电压信号，从而控制智能轮椅执行相应的运动指令。最后轮椅将所执行的指令按照某种编码方式回传给刺激界面，刺激界面将相应的目标置为绿色并进行语音提示，实现良好的操作反馈。

“脑控轮椅”传感器

项目实现了使用者从脑电信号采集到轮椅控制仅需1～2秒注视相应目标，即可控制轮椅相应的操作，准确率可达98%。同时使用者佩戴干电极脑电传感器，仅需20秒左右时间，方便快捷，很好地满足了具有严重运动障碍患者的需求，填补了相应设备市场的空缺。

郑德智在实验室调试设备

以创新为基，攻民之难题

据不完全统计，全世界共有百万人患有运动神经元疾病，这些患者虽然具有正常的认知能力，可以看到、听到和感受到周围的一切，但由于自身神经网络的病变，无法有效地控制各肢体部位的动作，进而无法与外界实现有效的信息沟通。例如大量高位截瘫患者，他们拥有健全的大脑，却由于无法有效地控制自身肢体而无法正常生活。市面上存在大量的帮助运动障碍患者自主运动的医疗辅助器械，例如拐杖、电动轮椅等等，但这些产品或多或少都需要外部肌肉和神经的参与，例如电动轮椅一般需要利用手腕进行操控，这对于具有严重运动障碍患者而言是无法做到的。因此通过脑电实现外部设备的控制在某种程度上成为了提高这些患者自主运动能力的为数不多的可行方案之一。

研发团队成员那睿说：“提高严重运动障碍患者的生活自理能力，让他们重新融入社会，是此领域研究者应该关注的问题。”

脑-机接口（Brain-Computer Interference, BCI）技术是一种允许人脑与外部设备实时交互的通信或控制系统。它通过测量和分析大脑信号并将其转化为相应的设备控制信号，从而实现对外部设备的控制，因此在整个控制过程中无需外部神经网络和肌肉的参与，可为严重运动障碍患者提供与外界交互的新途径。

脑电信号极其微弱，干扰因素较多，除了需要繁琐的准备流程进行降噪处理外，信号采集系统往往体积庞大、价格高昂，极不利于脑机接口技术的应用。因此，研制一款便捷的可穿戴脑电信号检测与控制系统，对于脑机接口技术的应用发展，具有重要的现实意义。

团队利用脑-机接口无需外围神经网络和肌肉参与的特点，将脑-机接口与电动轮椅的有机结合，为严重运动障碍患者提供一种与外界交互的方式。

那睿说道：“考虑到这一点，我们创新性地研制了干电极脑电传感器敏感微弱脑电信号，即戴即用，完全避免了传统湿电极脑电传感器使用前繁琐的准备流程，并利用FPGA研制了配套的微弱信号解调系统，有效地减小了脑电设备的体积，并且大大缩减了系统成本，在脑-机接口的应用化上迈出了重要的一步，为广大具有严重运动障碍的人群提供了一个能够让他们重新步入社会的途径。”

“脑控轮椅”项目中的基于稳态视觉诱发电位的脑机接口控制系统，具有很好的移植性，不仅可用于轮椅控制，还可针对不同的任务需求设计不同的界面来完成相应的人机交互，例如：设计全键盘界面实现文字输入、应用于游戏娱乐、教育科普演示，智能家居，医疗康复等诸多领域。该成果是脑-机接口控制技术的一种创新应用尝试，为将来脑-机接口设备规模化应用奠定了基础。

北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院先进传感技术实验室长期致力于满足国家战略需求的传感器及其检测技术的研究，并积极开展多学科交叉创新研究，近年来多次获得国家（国家技术发明二等奖、国家科技进步二等奖）及部委奖励，发表高水平论文50余篇、授权发明专利12项。

郑德智说：“团队的重心一直都放在前沿科学技术研究上，‘可穿戴干电极稳态视觉诱发脑控轮椅’系统是目前脑机接口领域中唯一一种可以实用化，走进老百姓家庭的技术。同时，我们正在和中国人民大学附属中学合作，建立联合实验室，希望用孩子们的聪明才智与创新活力提升科研体验，让孩子们更早的体验到前沿科学技术，让他们感受科学，热爱科学，未来为我国的科学技术进步作出更大贡献。”

也许，这才是黑科技真正的秘密。