脑机接口控制假肢进行书写
随着相关技术突飞猛进地发展，脑机接口的应用场景正从临床试验阶段走向现实，其逐步在医疗康复、消费电子与工业控制及特种领域中进行应用。
脑机接口（Brain-Computer Interface, BCI）是一种在大脑与外部设备之间建立直接通信通路的技术，通过采集、解码神经系统信号（如脑电、神经冲动），将其转化为指令，以实现对机器、计算机或假肢等外接设备的操控，从而实现使用者与外界多方式交流或控制的能力。
脑机接口技术是集合神经科学、信号采集与检测、信号处理、模式识别等多学科交叉的技术，随着科技突飞猛进的发展，脑机接口被认为是未来人机交互的终极形态，将彻底改变人类与数字世界的关系。
脑机接口技术早期发展里程碑
脑机接口的发展是一部从基础科学发现走向临床与消费级应用的跨越史。1875年，英国医生、生理学家理查德·卡顿（Richard caton）在动物大脑中检测到电信号。1924年，德国精神病学家汉斯·伯格（Hans Berger）发明了脑电图仪（electroencephalogram, EEG），并使用脑电图仪记录了人脑活动的信号。
1973年，美国加州大学洛杉矶分校雅克·维达尔（Jacques Vidal）提出了脑机接口的概念，其是指将人脑活动的脑电信号转变为计算机信号的装置，由此BCI形成了一个全新的独立研究领域。1998年，菲利普·肯尼迪（Philip Kennedy）等人在中空的玻璃锥中内置微电极丝制成了脑机接口装置，并将该装置在因脑干中风导致全身瘫痪的患者脑部完成了首次人体植入，植入脑机接口装置后的患者用思维控制了计算机光标，完成了数字绘画和简单的电子邮件交流。
2004年，约翰·多诺霍（John Donoghue）团队与布朗大学的研究团队共同成立了Cyberkinetics公司，将一个具有96个微电极尖端的“犹他”电极阵列通过神经外科手术直接植入到瘫痪受试者的初级运动皮层，受试者通过思维活动，就能够控制一个多关节机械臂完成抓取、移动等复杂任务，此次植入试验是脑机接口发展史上一个具有全球性影响力的里程碑事件。
2008年，梅尔·维利斯特（Meel Velliste）等人将微电极阵列植入猕猴的主要运动皮层，记录锋电位（即单个神经元的动作电位），猕猴能够流畅地控制具有肩、肘、腕和手爪的5自由度机械臂完成抓取动作。
2016年，马里斯卡·J·范斯坦塞尔（Mariska J.Vansteensel）等人通过手术将一种皮层脑电图（ECoG）电极阵列植入患者运动皮层表面的硬膜下，患者通过注视电脑屏幕上移动的光标（视觉引导）来产生特定的神经活动模式，系统解码后模拟鼠标点击，从而控制商业化的拼写通信软件。脑机接口在21世纪初开始分化出侵入式、非侵入式和半侵入式三大技术分支路线。
EEG脑电图仪
侵入式BCI是通过神经外科手术将电极直接植入大脑皮层或灰质，该植入手术对神经外科医生提出了极高的技术要求，除了手术本身的复杂性，还涉及需将BCI设备植入目标功能区定位和电极布局，以确保电极获取高信噪比的单神经元放电信号。
非侵入式是通过头皮穿戴设备采集脑电信号，主要包括头皮脑电图和脑磁图两种主要模态。非植入式的优势在于无需手术、对脑部无创伤操作，但同时其缺点是采集的信号质量与信息带宽低。脑电图测量的是神经元兴奋产生的电流变化，脑磁图测量的是流经神经元电流产生的磁场。虽然脑磁图具有比脑电图更高的时空分辨率，但由于使用脑磁图的设备体积庞大且使用费用昂贵，不适合日常使用。
半侵入式是将皮层脑电图电极置于大脑皮层表面的硬膜外或硬膜下，并不穿透脑组织，半植入式电极能够从大脑表面记录高伽马能带活动，其比穿透性电极更安全。脑机接口核心技术发展主要涉及电极革新、植入方式突破等方面。
穿透式微电极阵列是侵入式BCI的核心，旨在记录单个神经元的EEG作电位。2004年犹他电极阵列用于首个人类BCI临床试验（BrainGate），但因其相对刚性的材料与柔软的脑组织存在力学不匹配，容易导致免疫反应，信号在数月或数年后衰退，植入创伤较大。与此同时，基于半导体工艺在柔性或刚性基片上制作的神经探针也应用于BCI试验，但其同样面临刚性材料伴随的长期使用稳定性的问题。
自2010年开始，柔性电极和高密度电极开始发展，使用聚酰亚胺、Parylene C、SU-8光刻胶或新型弹性体作为基材，制作出极其柔软、薄如蝉翼的电极，该电极的力学性能与脑组织匹配，大大减少免疫排斥和胶质疤痕，可提供较为稳定的使用，代表产品包括神经织网（Neural Lace）、Stentrode™。
高密度电极则是在更小的面积上集成成千上万个电极点，以记录更大规模的神经群体活动，代表产品为Neuralink公司的N1植入物及其“线”状电极阵列，其包含了1024个电极。脑机接口的植入方式的发展变迁是一个从“大开环”到“微创”甚至“无创”的发展演进过程。最传统植入方式为开颅手术，通过在头骨上钻孔后取下部分骨瓣，暴露大脑硬脑膜后将电极阵列直接放置于大脑皮层表面，最后固定骨瓣、缝合头皮。微创植入无需打开大块头骨，只需在头皮上做一个小切口，用专门的颅钻在头骨上钻一个小孔，将电极阵列通过小孔植入大脑的特定区域，该操作相比开颅手术损伤小、术后恢复快，但其需依赖立体定向框架或神经导航系统来精确定位钻孔位置和电极植入深度，确保靶点准确。无创植入是通过血管内植入技术避免开颅手术，通过类似心脏支架的植入方式，将电极阵列通过血管递送至大脑皮层附近，从血管内部记录神经信号。
核心技术的突破性进展
近年来，BCI领域的发展不再是单一技术的突破，而是多学科、多技术领域的协同飞跃，共同推动其从实验室走向临床和消费市场。BCI领域核心技术的发展聚焦于信号采集、信号解码、交互模式、系统集成及更安全、可规模化的植入方式。
信号采集是BCI性能提升的基础，核心在于更多、更清晰、更持久地获取神经信号，超薄、柔性的聚合物电极成为主流，它们与脑组织力学性能匹配，实现了长期、稳定的数千通道甚至数万通道的神经信号记录，代表产品为Neuropixels 2.0（约5000个通道）、Neuralink的N1植入体。非侵入式电极通过高密度电极阵列（256个或更多）和先进信号处理算法（如深度学习），大幅提升了该电极的空间分辨率和信噪比，使得仅从头皮表面解码运动想象甚至更复杂的意图成为可能。
海量的神经信号数据需要强大的算法来破译，信号处理与解码算法的突破是从“简单解码”到“深度理解”的转变。传统解码算法（如线性滤波）能力有限，随着深度学习神经网络的发展，其被用于解析神经信号。它能自动学习神经活动与特定意图之间的复杂非线性映射关系，使得信号解码速度和准确率呈数量级提升，比如用于“神经语音”解码的Transformer模型，能够从大脑信号中重建人听到或说出的语音，进而用于控制。此外，新一代解码算法能够在线实时自适应学习，跟随大脑的变化而调整，维持长期的解码性能，形成了真正的闭环系统——大脑影响机器，机器的反馈又影响大脑。
交互模式则从开始的输出指令的“只读”模式向能够输入信息的“读写”模式发展。通过植入的电极进行精准的电刺激，不仅可以治疗疾病（如帕金森、癫痫），更前沿的应用是向大脑写入信息，以实现脑机接口与大脑进行双向对话的交互模式，如Blackrock Neurotech的MoveAgain系统（2024）实现“读取-刺激”闭环，除运动功能恢复外，首次为患者提供触觉反馈。系统集成是从庞大的外接设备向隐形植入的演变。
将信号处理、无线通信和供电系统全部集成到一个硬币大小的密封植入体中，实现完全无线操作，这能够有效消除经皮肤连接线带来的感染风险，极大地改善了用户体验，代表产品有Neuralink的N1植入物、布朗大学的Brown Wireless Device（BWD）。此外，先进生物相容性材料的发展为植入体在体内复杂环境中稳定使用提供保障，如使用新型封装材料聚对二甲苯、液态晶体聚合物等，能够有效降低使用中的免疫排异反应。
更安全、可规模化的植入方式依赖机械人辅助自动化植入系统的发展。为解决柔性电极手动植入的难题，多家公司研发了高精度外科机器人，其能在植入操作中避开血管，以微米级精度将电极植入预定位置，大大提高了手术的安全性、准确性和可扩展性，比如Neuralink的植入机器人，实现了每分钟植入6根线（192个电极）的精度和速度，为BCI的规模化安全使用提供可能。
脑机接口应用场景拓展
随着相关技术突飞猛进地发展，脑机接口的应用场景正从临床试验阶段走向现实，其逐步在医疗康复、消费电子与工业控制及特种领域中进行应用。
医疗康复领域是BCI技术最具革命意义的领域，也是当前最核心、最迫切的应用，主要应用于功能恢复与替代及神经系统疾病的诊断与治疗。功能恢复与替代旨在为因神经系统疾病或损伤而丧失功能的患者恢复沟通和行动能力，比如渐冻症（ALS）患者通过“北脑一号”实现中文语言解码；脊髓损伤患者利用复旦“三合一”系统恢复下肢运动，肌群控制准确率达92.7%；斯坦福大学BCI系统使瘫痪患者实现单个手指运动解码，精确控制虚拟四轴飞行器完成游戏任务。
BCI在神经系统疾病的诊断与治疗方面则提供更为精准的监测和治疗，比如通过植入式（ECoG）或高密度EEG设备，持续监测大脑异常放电，精准定位癫痫灶以进行手术切除，或在癫痫发作前发出预警；植入电极向特定脑区（如丘脑底核）发送电脉冲，能够有效缓解帕金森病的震颤、僵直等症状；利用BCI构建“脑-机-反馈”训练系统辅助卒中康复训练，当患者尝试移动瘫痪的肢体时，BCI检测到微弱的运动意图信号，随即触发外骨骼或虚拟现实（VR）中的肢体运动，这能极大增强神经可塑性，并加速康复进程。
BCI在消费电子与工业控制领域中应用的目标在于提升健康人群的能力和体验，打造无缝、直觉化的人机交互。在消费电子与游戏领域，比如通过EEG头带捕捉玩家的专注度、放松度或情绪状态，实时改变游戏剧情、难度或环境，在VR/AR的环境中，使用者直接用“意念”控制虚拟对象、导航菜单，实现真正的沉浸式体验；在日常生活中用“意念”控制灯光、空调、电视等设备，为行动不便者或追求极致便捷的用户提供新选择。
在工业生产领域，工厂中的工人可以通过BCI界面与智能机器人进行更高效的人机协作，如通过简单的意图指令指挥机器人助手递送工具或执行特定任务；通过BCI实时监测飞行员、驾驶员等操作人员的疲劳度、注意力分散和认知负荷，在其反应能力下降前发出警报，有效避免事故发生；在核辐射、深海、高空作业等危险环境中，操作员通过BCI更直观、低延迟地操控机器人或机械进行作业，降低实地操作危险。
BCI在特种领域的应用主要集中在国防军事、航天与深海探索等场景。在国防军事应用场景下，如飞行员或驾驶员用意念控制无人机群、无人战车或潜艇，反应速度远超传统手动操作，并能同时处理多个平台的信息；通过BCI系统实现“脑-脑通信”，在特种小队成员间无声共享战场态势、图像和指令，实现极高效率的协同作战；在航天与深海探索方面，由于超重、失重等极端环境的客观影响，传统操作界面可能失效，BCI可作为一种可靠的备用控制方案；面对极端环境作业需要，深海探险者或外星勘探者穿着厚重的防护服，用手操作极为不便，BCI可成为控制外部设备的核心交互手段。
未来发展趋势与挑战
BCI技术正朝着更高性能、更少侵入、更广应用的方向发展。在技术与性能提升方面，未来的BCI不再是简单的大脑信号读取器，而是通过周围神经接口与身体、人工智能和云端数据库深度耦合的双向闭环系统，AI不仅用于解码信号，还能预测意图、优化控制策略，并向大脑提供感觉反馈，形成真正的“脑-机-体”智能融合。
微型化、无线化与无缝集成则将植入设备变得更小、更节能，最终像心脏起搏器一样被完全植入体内，外表无痕，实现“隐形计算”。随着BCI应用范围的不断扩展，非侵入式头戴设备将成为下一代人机交互入口，从远期来看，BCI可能成为连接个体大脑与“云”的桥梁，实现知识的直接下载上传，甚至形成“全球脑”或“集体智能”网络。
与此同时，BCI的发展同样面临巨大的技术、伦理和安全障碍。BCI的稳定性与生物相容性仍是其长期使用的技术难题，同时，由于大脑信号的高度复杂性、动态性和个体化性，即使是最高通的BCI，其信息传输速率与人类自然感官的带宽相比，仍然微不足道，为实现高效“意念交流”而非简单指令控制，需要带宽与信息率数量级的提升。
此外，由于BCI可能访问人最隐私的思想、记忆和情感，如何建立健全技术安全性原则、脑隐私保护原则、自主决策原则、分配正义原则和政策保障原则，以推动脑机接口技术以合伦理性的方式全面健康发展，也是随着脑机接口技术进一步发展，亟待解决的问题。（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心）
（文章来源：《创意世界》2026年3月号）
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编校：苑宝平
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