【情报】脑波意念革命 翻转人机科技
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至今，人的大脑仍是科学上未解之谜。
最早期的脑科学，只能从解剖脑伤病人来研究。
自从1924年德国医生Hans Berger首次从人的头皮记录到人脑发出的微弱电磁波，
并发现脑波出现的振荡讯号与脑部疾病相关，
因此开启了探究大脑奥秘的开端。
当1929年将成果对外发表，
也是人类史上首次发表的脑波记录，
命名为“脑电波图”(EEG，简称脑电图)。
1970年代，科学家开始尝试用脑波讯号作为与机器沟通的管道，
其中最成功就是UCLA BCI实验室主持人Jacques
Vidal的团队，做出利用视觉刺激反应，
控制光标走迷宫的脑机接口，
并于1973年发表的论文中出现脑机接口
(Brain-Computer Interface, BCI)一词。
1990年代开始，脑波测量从医学界迈向科技界，
“脑波控制”成为各界关注的革命性人机接口应用技术。
现今厂商对于脑波测量的仪器都朝向更轻巧、
更简化的方式来进行改良，并开发出脑波控制的相关产品。
一般人机接口(Human Machine Interaction, HMI)驱动是依靠使用手键盘、遥控器等。
所谓脑机接口是一种不依赖大脑周边神经与肌肉正常之输出通道的通讯控制系统，
只单纯用意念即可控制电脑或其他数位装置，
不须再经过任何的动器来操纵机械，
而是直接读取由脑部所发出的讯号。
脑机接口的基本架构可以分成三个部份：
(1)讯号撷取：经由人体的电极点取得使用者的脑波讯号。
(2)讯号处理：进行讯号特征的萃取并转译成能控制输出装置的指令。
(3)输出控制装置：即控制相关之装置，如电脑萤幕上的光标移动、轮椅或机器手臂等。
大脑是由许多神经细胞组成，当大脑进行心智运作时，
这些神经细胞会不断放电，而众多脑神经细胞放电的结果，
让科学家们可以利用仪器侦测到微弱的电波或磁波变化，
此即是脑波测量的原理。
科学家发现，这些电磁波的模式会因为人本身的精神状态或意念而产生变化，
若能明确区分出人本身不同精神状态或意念所对应的电磁波模式，
我们就可以用脑直接控制外部的装置。
因此用意念来控制电脑机器不再是天方夜谭，
但是要如何侦测脑波讯号，如何从复杂大量的讯号里提取有用的资讯，
进而判读人的意念并转化为机器指令，
这是脑机接口领域最有挑战性且最热门的议题。
随着医学、生物科技、电机资讯的快速发展，
加上生医讯号的分析技术日渐成熟，
大脑讯号的研究已经广泛应用于各科学领域且逐渐朝向
以人为中心思考的人性化科技。
早期主要用于研究如何透过脑波协助瘫痪病患、
肢体障碍或行动不便的病人，
以操控电脑或机械手臂以改善其生活品质，
例如：脑波电话、脑波拼字机、医疗复健器材。
现在，新的脑机接口让脑控指令更多更快，
也加入了肌电、眼动等生理讯号，
让判读更加准确，例如：新型脑控义肢。
且随着非侵入式脑机接口侦测技术的成熟，
及无线通讯设备微小化成功，
使其应用逐渐从医学研究转到消费市场，
如运动训练、教育学习、游戏与设备操控等领域。
此外，许多科学团队和新创公司也致力将脑机接口大众化，
除了新颖的脑控虚拟实境游戏，
也让所有人能打造自己专属的脑机接口，
因此脑波遥控载具将成为下一波人机互动的创新应用趋势。
但是，脑机接口在实作上存在两大问题：
第一，实际取得的讯号产生混杂如眨眼等肌肉电讯号
(Electromyography, EMG)和周围电磁波(如手机、电脑)干扰，
且讯号往往比真正脑波大得多；
第二，复杂的大脑活动不是靠单一特征就能预测，
许多脑功能(尤其是高阶认知功能如推理、情感等)
仍找不到指标性的特征。因此该如何滤除噪声，
取得真正的脑波讯号？面对复杂未知的脑活动，
还有什么办法去判读？因此，科学家目前正努力的两大方向：
一是精进讯号处理(signal processing)方法来处理噪声，
萃取出高品质的脑波讯号；
二是开发新的分析方法，例如机器学习(machine learning)的技术。
未来，在电脑运算与网络技术持续演进下，
人机互动的发展势必将有一番新的面貌，
目前积极研发的脑机接口是将脑部影像技术普及化的最佳利器，
运用涵盖层面十分广泛，
对人工智能、教育娱乐等方面的应用有所帮助外，
更对神经肌肉疾病但脑部功能正常的病患提供了与外界沟通的一扇窗。
从全球发展趋势，若我国企业能早日投入脑机接口相关的研究与开发，
如临床应用的意念型辅具，将有助于未来神经诊断医疗器材产业的发展。
(作者是国家实验研究院科技政策研究与资讯中心专案助理研究员)
(本文刊登于经济日报2017/01/01）