脑机接口的关键技术|原理|植入式|电信号|脑机接口|阵列

21 世纪是世界科学界公认的脑科学时代，认识脑、保护脑、创造脑一直是脑科学和神经科学界孜孜以求的目标。美国、欧盟、日本等国家和地区纷纷投入巨资，以期占领脑科学研究的先机和制高点。我国也于 2016 年启动以“一体两翼”为核心的中国脑计划，与世界脑科学研究热潮相呼应。脑机接口（ brain-computer interface ， BCI ）通过直接测量大脑神经活动产生的电信号，在大脑和外部设备之间创建连接通路，是脑科学研究的重要技术途径。它既是全面解析和认识大脑的关键核心技术之一，也是人机交互理论上最直接、最有效的工具。人脑的数百亿个神经元都存在独特、持续且极其微弱的电信号，如何将这些电信号以尽可能高的空间分辨率和信号质量提取出来，同时在保证安全性和便捷性的前提下实现对大脑电信号的长时间连续监测，是脑机接口研究亟须解决的关键问题，对脑电信号采集器件和处理器件提出了特殊的要求。

典型BCI 系统组成

以脑电信号采集位置为标准，可以将BCI分为植入式及非植入式两种类型，植入式BCI又可以进一步细分为侵入式BCI 和半侵入式BCI。虽然植入式BCI可以提供更高密度、更高质量的脑电信号，但具有较大的创伤和安全风险，其应用主要集中在临床医疗领域。非植入式BCI又称非侵入式BCI，因其安全无创的特点，在学术研究与产业应用方面均更为普及，但受限于脑外采集脑电信号的低信噪比，目前可实现的脑机交互功能有限。

表侵入式、半侵入式、非侵入式BCI 对比

从BCI的技术体系来看，可分为硬件层、软件层和应用层。

BCI 技术体系

硬件层包括脑电信号采集设备和外控外联设备。脑电信号采集设备包括核心器件和材料。核心器件包括电极、芯片、电源等。电极的关键技术包括干电极、湿电极、微电极阵列和柔性电极技术等；芯片的关键技术包括神经数据处理、无线能量和数据传输、多路复用等；电池要求具有高能量密度、强电流脉冲能力和长循环寿命。材料方面包括石墨烯、导电膏、导电胶、柔性材料等。外控外联设备包括机械臂、智能仿生手及无人机等。

软件层主要包括生物信号分析等核心算法。脑机理认知一定程度上也属于软件仿真和实现的重要方面。随着对脑机理认知的不断深化，采集的数据量越来越庞大，未来将陆续面临数据压缩和存储、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需要重点研究和解决的问题。

应用层包括生物医疗、教育、娱乐、军事工程等方面。BCI 早期发展的应用场景主要集中在脑科学研究和医疗康复方面，近几年研究及应用领域逐渐扩大，从代替人类现有的部分功能，转变为增强人类的各种感知能力，包括脑增强和脑沟通等方面。作为一门交叉学科，BCI 的关键技术发展需要多学科的协同进步。例如，电极和探针有赖材料学、基础化学、合金工艺等学科的进步，芯片原理有赖于基础物理、量子力学、量子计算等基础学科，芯片性能和计算速度的提升有赖于新的计算模型开发、高精度半导体加工等应用科学；外控外联设备对底层科研要求更高，均依赖工程和工艺进步。

01.

电极

非植入式：非植入式BCI 系统，多采用Ag/AgCl 电极记录头皮EEG 信号。非植入式电极的最新研究进展是主动式电极，其采用微制造工艺将放大器等前置放大电路与电极集成，此技术极大提高了信噪比。电极在头皮上的安放多采用电极帽固定，摆放的位置采用10-20 电极安放标准，电极数量越多，对信号的描述越精确，但为了使用便捷，一般希望在提取有效信号的前提下，电极数量越少越好。

植入式皮层宏电极和微电极阵列

植入式：随着微纳加工技术和电极材料的不断发展，植入式电极趋向于柔性、小型化、高通量和集成化发展，形成了以微丝电极、硅基电极和柔性电极为主的多元化发展局面。基于MEMS 技术，以刚性硅为基底材料制得的微电极阵列能够有效采集大脑神经元的高密度活动信息、完成高空间分辨率采样。随着纳米技术的发展，神经电极也在不断优化，与大多数由惰性金属或半导体材料制得的传统电极相比，柔性植入式神经微电极与柔软、动态的神经组织机械匹配性更好，在生物相容性、导电性和可靠性上也具有突出优势。

02.

芯片

BCI 芯片研发有三个主要方向，包括大规模通道神经记录芯片，主要同步记录多通道场电位或者动作电位，需要解决大数据量存储、传输等难题；神经记录与神经刺激芯片，主要实现神经活动感知与调控的交互，需要解决神经刺激伪迹影响难题；神经记录、刺激与计算集成芯片，主要解决高效数据管理与实时计算等难题，而功耗和供电是各类芯片的共性挑战。

植入式脑机接口芯片

美国Intan Technologies 公司RHA2000 系列微芯片

目前BCI 芯片在技术上主要面临两大需求：一个是高通量低功耗，即扩大采集通道数量以记录更多神经元的活动，这样才能更精确地获取用户意图，进一步实现神经活动的调控及控制外部设备，同时为了实现长期、稳定、安全的植入，芯片的体积需要足够小，功耗要尽量低；另一个是无线化，这个是针对通信和供电的，相对于笨重且不灵活的有线电缆和电池，无线通信和供电链路可以降低感染风险，改善外观并且不影响用户的正常生活。

03.

系统

非植入式：非植入式BCI 系统，按应用目的可分为神经修补系统、信息交流系统和环境控制系统等。所采用的信息载体有SSVEP、慢皮层电位、P300 及频域的μ、β节律等。采用头皮电极记录EEG 信号作为通信载体，其优点是可以无损、简单地实现脑机交互，易于被用户所接受。但信号模糊、信息量少、受环境干扰影响较大，这使得改善信号的精度、可靠性及提高通信速率成为该类BCI 的主要挑战。

商用植入式脑机接口系统

法国Clinatec 公司Wimagine 硬膜外无线记录系统

植入式：植入式BCI 系统采用电极植入技术，根据脑信号的传输方向，可以分为流入式和流出式两种。流入式系统通过记录的脑电信号与外界通信或控制外部设备；流出式系统通过植入刺激电极于感知运动区、听觉或视觉皮层，来恢复或增强人的感官功能。

作为多学科的交叉研究领域，BCI 技术涉及神经科学、电子工程、材料科学、人工智能等多个学科，具有重大的科研价值和广泛的应用前景，并在最近取得了重要的技术突破，特别是马斯克的Neuralink 公司在侵入式BCI 方面取得了引人注目的成果。这吸引了各国政府、商业机构、学术机构的广泛关注和大量资源投入，有望在未来数年内进入技术驱动和需求牵引的正反馈循环，从而实现整个BCI 领域的快速发展。可以预见，未来BCI 相关技术、应用和市场生态也将成为世界各国重要的科技竞争要地。

本文摘编自《脑机接口基础器件》（印二威等著. 北京：科学出版社，2026.01）一书“第5 章总结与展望”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(智能人机交互前沿技术丛书)

ISBN 978-7-03-084767-6

责任编辑：孙伯元王杰

本书以脑机接口基础器件为对象，按照电极-芯片-系统的层次逻辑、非植入式-植入式的结构顺序，详细介绍脑机接口系统的工作原理、结构设计与选材加工，以及其发展背景和历程，中间穿插介绍脑机接口技术的应用现状和前景。

本书兼具知识广度和深度，既注重基础知识的介绍，也系统深入探讨脑机接口器件的设计原理，可作为脑机接口领域的科普读物，也可供相关领域的学生、科研人员、工程技术人员等参考。