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本报天津2月17日电(记者武(wu)少民(min))日前,记者从天津大学获悉,天津大学脑机海河实验室和清华大学集成电路学院(yuan)强强联手,开发了一款基于忆阻器神经形态器件(jian)的新型无创演进脑机接口系统。
这项研究首次揭示了脑电发展(zhan)与(yu)解(jie)码(ma)器演化在脑机交互过程中的协同(tong)增强效(xiao)应,成功实现了人脑对无人机的高效(xiao)四自由度操控。相关成果已于近(jin)期(qi)在国际权威期(qi)刊《自然·电子》上在线(xian)发表。
“这项研究首次提出了脑机协同(tong)演进的概念,并基于忆阻器神经形态器件(jian)完成了技术(shu)验证,通(tong)过长时程大脑与(yu)忆阻器神经形态器件(jian)之(zhi)间的信息交互初步实现了生(sheng)物智能与(yu)机器智能的互适应、互学习,为未来实用型脑机接口系统提供(gong)了重要的理论基础与(yu)技术(shu)支撑,也为脑机融合智能的发展(zhan)开辟了新的方向。”国家高层次人才(cai)计划入选(xuan)者、天津大学脑机海河实验室许敏鹏教授表示。“我们这款系统未来计划拓展(zhan)到更多(duo)便携(xie)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。”
脑机接口能实现大脑与(yu)机器直接信息交流,促(cu)进生(sheng)物智能与(yu)机器智能融合,被公认为是新一代人机交互和人机混合智能的核心技术(shu)。如(ru)何(he)通(tong)过脑机之(zhi)间的信息交互实现“互学习”,进而(er)促(cu)进脑机智能的协同(tong)演进,是突破脑机性能瓶颈的重点和难点。
天津大学与(yu)清华大学研究团(tuan)队发现,脑电信号中的非平稳特性不仅(jin)来源于传统观点认为的背景脑电变异,而(er)且(qie)与(yu)闭环脑机交互引导下的任务脑电演变密切相关。基于这一发现,团(tuan)队首次提出了“双环路脑机协同(tong)演进框架”,并通(tong)过忆阻器神经形态器件(jian)构建了全新的脑机接口系统。在双环路框架下,“机学习”环路中的忆阻器解(jie)码(ma)器通(tong)过适应脑电信号波动完成解(jie)码(ma)参数(shu)更新,“脑学习”环路中的任务相关脑电特征(zheng)在“决策(ce)-反馈”循环的引导下不断(duan)正向演化。
据介绍,相关算法基于128kb规模的忆阻器神经形态器件(jian)实现了硬件(jian)化部署,将脑电信号的多(duo)步计算过程优化为单(dan)步计算。相比于传统纯(chun)数(shu)字硬件(jian)方案,忆阻器新方案的归(gui)一化解(jie)码(ma)速度提高了2个数(shu)量级(百倍)以上,能耗降低了3个数(shu)量级(千分之(zhi)一)以下,高效(xiao)支撑了四自由度脑控无人机任务目标的成功实现。
在连续6小时的长时程脑机交互实验中,大脑和解(jie)码(ma)器的贡献比例呈现动态变化,展(zhan)现出了脑机协同(tong)演进的过程:初期(qi)以解(jie)码(ma)器自适应更新为主,随着时间推移(yi),大脑贡献逐步增加,最终脑机接口性能不仅(jin)没有下降,还实现了约20%的准确率提升。
据了解(jie),该(gai)研究由天津大学与(yu)清华大学团(tuan)队合作开展(zhan):天津大学脑机海河实验室团(tuan)队完成协同(tong)演进脑机接口软件(jian)系统设计与(yu)范式算法实现,清华大学集成电路学院(yuan)团(tuan)队完成协同(tong)演进忆阻器神经形态器件(jian)硬件(jian)设计及忆阻器算法设计部署。