盲人复明、瘫痪者站立：马斯克的脑机接口野心，MEMS的更广阔舞台

11月30日，马斯克在其脑机接口公司（Neuralink）上宣布，Neuralink开发的脑机芯片预计将在六个月内开始人体临床试验，并且画了个大饼：帮助盲人恢复视力、让瘫痪者站立是其首批目标之一。

马斯克创立了特斯拉、SpaceX等公司，深刻改变了新能源汽车、航空等产业，更在前不久收购了Twitter公司，其旗下公司脑机接口产品的推出，备受瞩目，也让脑机接口这一前沿科学走入我们视野。

脑机接口本质上是一个大脑信号传感系统，而目前市面上唯一的被批准在人体上应用的脑机接口，主要基于MEMS技术制造。

什么是脑机接口？马斯克的脑机接口将为产业带来什么改变？MEMS技术在脑机接口的未来能带来什么？

马斯克和他的脑机接口芯片：充满科幻感

在12月1日的Neuralink“Show and Tell”活动现场，漆黑的展示屏上，正不断显示出向前滚动的绿色条码，像极了《黑客帝国》电影中由“0”和“1”组成的矩阵。在画面正中央正缓慢的闪出绿色的“欢迎来到展示和讲述活动”（Welcome to show and tell）一行字。

这一幕极具赛博既视感的画面是马斯克的脑机接口技术的最新成果。“这不是在模仿《黑客帝国》的屏幕保护程序，而是真正的神经元发出的信号。”马斯克强调。

“这是心灵感应打出来的字，是我们的猴子Sake用意念打出来的。”不过马斯克表示，现在它还并不能使用键盘，而是通过把猴子的“意念”转移到人为标示出的高亮按键上来生成文字，“我并不想夸大这件事，它现在还并不能真正拼写，这是我们下一阶段要做的事”。

马斯克将Neuralink正在开发的脑机接口命名为“Link”，它是一个硬币大小的芯片，带有1024个电极线程，可被植入大脑的运动皮层（感觉区），以刺激神经元并获取数据。Link由“类似缝纫机”的机器人缝入大脑的微小柔性线上，可收集大脑中的信号，然后将其转化为电信号，由电机控制输出。

▲ Link（图源：Neuralink）

▲ 为大脑植入芯片（图源：Neuralink）

Neuralink近期期望利用此项技术开发一种外科手术机器人，像LASIK眼科激光手术一样快速地将电极植入大脑，并且普通人能负担得起。该设备可用于治疗帕金森症、痴呆症和阿尔茨海默氏症等脑部疾病，最终目标是实现上传和下载人类思想。

▲ 为大脑植入芯片的外壳手术机器人

近年来，Neuralink一直在进行动物测试，但一直对公司的技术、发展和大部分计划保密。以下是拥有大脑芯片的猴子Sake在此前的实验中，用意念控制鼠标打字的图像。而马斯克在发布会开场的视屏，也正是猴子Sake的发出的脑信号。

这看起来是不是很科幻？

什么是脑机接口？

百度百科给出的答案是这样的，脑机接口(Brain Computer Interface，BCI)，指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。这一概念其实早已有之，但直到上世纪九十年代以后，才开始有阶段性成果出现。

在该定义中，“脑”一词意指有机生命形式的脑或神经系统，而并非仅仅是“mind”。“机”意指任何处理或计算的设备，其形式可以从简单电路到硅芯片。

对脑机接口的研究已持续了超过40年了。20世纪90年代中期以来，从实验中获得的此类知识显著增长。

在多年来动物实验的实践基础上，应用于人体的早期植入设备被设计及制造出来，用于恢复损伤的听觉、视觉和肢体运动能力。

研究的主线是大脑不同寻常的皮层可塑性，它与脑机接口相适应，可以像自然肢体那样控制植入的假肢。在当前所取得的技术与知识的进展之下，脑机接口研究的先驱者们可令人信服地尝试制造出增强人体功能的脑机接口，而不仅仅止于恢复人体的功能。

如何与人脑连接？

大脑是由上千亿个神经元构成的, 而且每个神经元与几千个或上万个神经元相连接。刺激信号在神经元间传递, 最终形成神经冲动。

根据神经科学研究, 在大脑产生神经冲动时, 大脑神经系统的电磁活动会发生相应变化, 并会体现出某种节律和空间分布的特征,由此我们可以通过一定的手段在不同的时间段不同的脑部区域检测到不同类型的脑电波, 再通过信号处理和模式识别的手段,从中识别出人的意图, 再用计算机语言进行编程, 从而将大脑信号转换为控制外围设备的控制指令, 这就是BCI的基本原理。

与其它的通信控制系统一样, 一个BCI系统一般由信号获取部分, 信号处理部分, 输出设备组成。

脑机接口的主要技术

脑机接口的技术体系主要分为硬件层和软件层。

硬件层包括脑电采集设备和外控设备。脑电采集设备包括核心部件和器件、电极、芯片、电源和材料；外控外联设备包括机械臂、仿生手、无人机等。软件层包括生物信号分析、核心算法、通信计算和安全隐私。

脑机理认知方面一定程度上也属于软件仿真和实现的重要方面。随着对脑机理的不断认知，采集获取的数据量越来越庞大，未来 将陆续面临数据压缩算法和存储技术，以及高通量高速数据无线传输等方面的挑战。

此外，基于脑电的信息认证及信息安全、隐私保护也将是软件层重点研究和解决的问题。

脑机接口的脑电采集设备主要分为无创和有创两种技术方向，也即是需不需要放进脑内，在现有技术下，显然有创技术感知的信号更好、更丰富，也能对大脑进行更多干预。

本次，马斯克的“Link”芯片，就是有创技术的采集设备。

目前唯一的有创商品化脑机接口：MEMS技术的广泛应用

脑机接口本质上就是一套感知大脑活动的传感系统，在脑机接口技术体系中，MEMS技术也早被应用。

当前，大部分植入脑内的脑机接口采集设备，都处于科研阶段，还没有商用化。

目前在人体上获准应用的植入式脑机接口采集设备，只有一款，叫犹他电极阵列（Utah Array）。它是美国FDA认证的可以植入人体的唯一一款记录单个神经元发放的电极，这是半永久植入电极（可植入1~2年）的产业化情况。

犹他电极阵列（UtahArray）主要基于硅基材料，采用成熟的微机电系统(MEMS)加工工艺，有其他类型电极无法达到的加工精度和一致性，实现高通量，高密度和超柔性等性能。

此外，利用硅材料制作电极可实现电极与硅基放大及信号处理电路的单片集成，简化系统的复杂度，提高神经元信号的信噪比。

▲来源：中科院裴为华

MEMS甚至NMES，对于脑机接口技术有着巨大吸引力。MEMS/NMES本质上是在微米甚至纳米层次的机械系统，能够在更细小的层次感知和操控一切。

传感器领域有个充满科幻性的前瞻预测——智能尘埃（智能微尘）——一种超细小的智能传感器。

数以百万计或数十亿计的微小尘埃颗粒，依附营养物质进入体内，它们可能会嵌入整个人脑的庞大血管网络中，或者被吸收到神经元本身中。添加某种能与智能尘埃无线连接的外部设备，你就拥有了一种广泛而详细的方法来记录和刺激神经活动。

这或许也是未来科幻级别的脑机接口的最终展现：只需服用几颗药丸或注射剂，就可以完成脑机采集传感器的植入，然后通过智能手机大小的操控设备查看信息或操作神经。而这，也是MEMS/NMES技术未来在脑机接口技术体系的广泛应用。

此前，马斯克的脑机接口公司Neuralink也招聘了大量的MEMS工程师，Neuralink在将自己构建为一个先进的MEMS技术孵化器，重点是生物相容性（对人类安全）应用。

前景光明，但未来15年内还没看到突破，专家：马斯克的认知远远落后于学界

近年来，得益于生物医学、传感器、通信、计算等领域技术水平的不断提升，脑机接口技术实现跨越式发展。

目前，侵入式脑机接口可以直接在颅内植入电极采集脑神经活动，能够获取到更高质量的神经信号。可利用皮层表面记录信号，实现在计算机屏幕上准确地拼写单词，使患者能够操作电视、打开和关闭假手，并使用机械臂执行基本动作。

当前，不少国家和地区已从国家战略层面对脑机接口进行了顶层设计。美国于2013年发布BRAIN Initiative，欧盟于2013年启动Human Brain Project，日本于2014年发布Brain/Minds Project。
我国于2016年发布“中国脑计划”，“中国脑计划”申报指南于2021年正式公布，“脑科学与类脑研究”成为“科技创新2030重大项目”最早运行的试点项目之一，提出了“新型无创脑机接口技术”“柔性脑机接口”“面向运动和意识障碍康复的双向-闭环脑机接口”等相关重点项目。

然而，不少BCI学界专家依然认为Neuralink的技术并没有飞跃式的进步。加州大学欧文分校脑机接口实验室助理教授An H. Do认为，马斯克的认知远远落后于学界，但私营企业雄厚的资源能力能够让技术的迭代效率比学术界更高。

在Neuralink的发布会上，猴子用“意念”在屏幕上打了一段字。但早在2002年，布朗大学的一项研究就让猴子成功地通过BCI在计算机屏幕上移动了光标。

复旦大学侵入式脑机接口硬件系统工程师刘伟介绍，目前侵入式BCI领域的技术难点主要有5个：

1、没有好的工具让人去更深入地了解大脑；2、由于电极的材料、植入点位等因素的限制，获取脑电波信号的难度很大；3、即便优于非侵入式，但侵入式BCI获取数据的信噪比仍然较低；4、解码脑电波的算法与应用场景没有明确的对应关系；5、侵入式BCI应用场景不明确，导致研发目标不明确。

脑机接口是个年轻的行业，相关研究以及成果转化无法做到一蹴而就，这也侧面导致行业自律、供应链标准尚且存在空白。成立于2015年的非侵入式BCI研发独角兽「BrainCo强脑科技」说：“目前BCI行业甚至还没到可以相互竞争的阶段，企业都还在各自探索的阶段。”

“侵入式脑机接口离应用，我估计还得至少15年。”结合目前的技术水平和模糊的应用场景，刘伟估计，“目前也就仅限于疾病的探索，疾病的治疗、疾病的诊断都谈不上。”

结语

马斯克在Neuralink的活动现场上，为大家描述了脑机接口的美好未来，并表示让盲者重见光明、让瘫痪者重新站立将是不远的目标。

诚然，脑机接口十分具有科幻性，并将为人类带来巨大福音。但目前正如许多专家认为，仍存在许多技术缺陷亟待攻克。

而MEMS技术目前是唯一批准用于植入人体的脑机接口采集设备的主要制造技术，脑机接口的究极形态，会否是一个个由MEMS/NEMS技术制造的微型机器人，在人体内工作？

我们期待脑机接口的未来。

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