腦機接口的關鍵技術

21 世紀是世界科學界公認的腦科學時代，認識腦、保護腦、創造腦一直是腦科學和神經科學界孜孜以求的目標。美國、歐盟、日本等國家和地區紛紛投入巨資，以期占領腦科學研究的先機和制高點。我國也于 2016 年啟動以“一體兩翼”為核心的中國腦計劃，與世界腦科學研究熱潮相呼應。腦機接口（ brain-computer interface ， BCI ）通過直接測量大腦神經活動產生的電信號，在大腦和外部設備之間創建連接通路，是腦科學研究的重要技術途徑。它既是全面解析和認識大腦的關鍵核心技術之一，也是人機交互理論上最直接、最有效的工具。人腦的數百億個神經元都存在獨特、持續且極其微弱的電信號，如何將這些電信號以盡可能高的空間分辨率和信號質量提取出來，同時在保證安全性和便捷性的前提下實現對大腦電信號的長時間連續監測，是腦機接口研究亟須解決的關鍵問題，對腦電信號采集器件和處理器件提出了特殊的要求。

典型BCI 系統組成

以腦電信號采集位置為標準，可以將BCI分為植入式及非植入式兩種類型，植入式BCI又可以進一步細分為侵入式BCI 和半侵入式BCI。雖然植入式BCI可以提供更高密度、更高質量的腦電信號，但具有較大的創傷和安全風險，其應用主要集中在臨床醫療領域。非植入式BCI又稱非侵入式BCI，因其安全無創的特點，在學術研究與產業應用方面均更為普及，但受限于腦外采集腦電信號的低信噪比，目前可實現的腦機交互功能有限。

表 侵入式、半侵入式、非侵入式BCI 對比

從BCI的技術體系來看，可分為硬件層、軟件層和應用層。

BCI 技術體系

硬件層包括腦電信號采集設備和外控外聯設備。腦電信號采集設備包括核心器件和材料。核心器件包括電極、芯片、電源等。電極的關鍵技術包括干電極、濕電極、微電極陣列和柔性電極技術等；芯片的關鍵技術包括神經數據處理、無線能量和數據傳輸、多路復用等；電池要求具有高能量密度、強電流脈沖能力和長循環壽命。材料方面包括石墨烯、導電膏、導電膠、柔性材料等。外控外聯設備包括機械臂、智能仿生手及無人機等。

軟件層主要包括生物信號分析等核心算法。腦機理認知一定程度上也屬于軟件仿真和實現的重要方面。隨著對腦機理認知的不斷深化，采集的數據量越來越龐大，未來將陸續面臨數據壓縮和存儲、高通量高速數據無線傳輸等方面的挑戰。此外，基于腦電的信息認證及信息安全、隱私保護也將是軟件層需要重點研究和解決的問題。

應用層包括生物醫療、教育、娛樂、軍事工程等方面。BCI 早期發展的應用場景主要集中在腦科學研究和醫療康復方面，近幾年研究及應用領域逐漸擴大，從代替人類現有的部分功能，轉變為增強人類的各種感知能力，包括腦增強和腦溝通等方面。作為一門交叉學科，BCI 的關鍵技術發展需要多學科的協同進步。例如，電極和探針有賴材料學、基礎化學、合金工藝等學科的進步，芯片原理有賴于基礎物理、量子力學、量子計算等基礎學科，芯片性能和計算速度的提升有賴于新的計算模型開發、高精度半導體加工等應用科學；外控外聯設備對底層科研要求更高，均依賴工程和工藝進步。

01.

電極

非植入式：非植入式BCI 系統，多采用Ag/AgCl 電極記錄頭皮EEG 信號。非植入式電極的最新研究進展是主動式電極，其采用微制造工藝將放大器等前置放大電路與電極集成，此技術極大提高了信噪比。電極在頭皮上的安放多采用電極帽固定，擺放的位置采用10-20 電極安放標準，電極數量越多，對信號的描述越精確，但為了使用便捷，一般希望在提取有效信號的前提下，電極數量越少越好。

植入式皮層宏電極和微電極陣列

植入式：隨著微納加工技術和電極材料的不斷發展，植入式電極趨向于柔性、小型化、高通量和集成化發展，形成了以微絲電極、硅基電極和柔性電極為主的多元化發展局面。基于MEMS 技術，以剛性硅為基底材料制得的微電極陣列能夠有效采集大腦神經元的高密度活動信息、完成高空間分辨率采樣。隨著納米技術的發展，神經電極也在不斷優化，與大多數由惰性金屬或半導體材料制得的傳統電極相比，柔性植入式神經微電極與柔軟、動態的神經組織機械匹配性更好，在生物相容性、導電性和可靠性上也具有突出優勢。

02.

芯片

BCI 芯片研發有三個主要方向，包括大規模通道神經記錄芯片，主要同步記錄多通道場電位或者動作電位，需要解決大數據量存儲、傳輸等難題；神經記錄與神經刺激芯片，主要實現神經活動感知與調控的交互，需要解決神經刺激偽跡影響難題；神經記錄、刺激與計算集成芯片，主要解決高效數據管理與實時計算等難題，而功耗和供電是各類芯片的共性挑戰。

植入式腦機接口芯片

美國Intan Technologies 公司RHA2000 系列微芯片

目前BCI 芯片在技術上主要面臨兩大需求：一個是高通量低功耗，即擴大采集通道數量以記錄更多神經元的活動，這樣才能更精確地獲取用戶意圖，進一步實現神經活動的調控及控制外部設備，同時為了實現長期、穩定、安全的植入，芯片的體積需要足夠小，功耗要盡量低；另一個是無線化，這個是針對通信和供電的，相對于笨重且不靈活的有線電纜和電池，無線通信和供電鏈路可以降低感染風險，改善外觀并且不影響用戶的正常生活。

03.

系統

非植入式：非植入式BCI 系統，按應用目的可分為神經修補系統、信息交流系統和環境控制系統等。所采用的信息載體有SSVEP、慢皮層電位、P300 及頻域的μ、β節律等。采用頭皮電極記錄EEG 信號作為通信載體，其優點是可以無損、簡單地實現腦機交互，易于被用戶所接受。但信號模糊、信息量少、受環境干擾影響較大，這使得改善信號的精度、可靠性及提高通信速率成為該類BCI 的主要挑戰。

商用植入式腦機接口系統

法國Clinatec 公司Wimagine 硬膜外無線記錄系統

植入式：植入式BCI 系統采用電極植入技術，根據腦信號的傳輸方向，可以分為流入式和流出式兩種。流入式系統通過記錄的腦電信號與外界通信或控制外部設備；流出式系統通過植入刺激電極于感知運動區、聽覺或視覺皮層，來恢復或增強人的感官功能。

作為多學科的交叉研究領域，BCI 技術涉及神經科學、電子工程、材料科學、人工智能等多個學科，具有重大的科研價值和廣泛的應用前景，并在最近取得了重要的技術突破，特別是馬斯克的Neuralink 公司在侵入式BCI 方面取得了引人注目的成果。這吸引了各國政府、商業機構、學術機構的廣泛關注和大量資源投入，有望在未來數年內進入技術驅動和需求牽引的正反饋循環，從而實現整個BCI 領域的快速發展。可以預見，未來BCI 相關技術、應用和市場生態也將成為世界各國重要的科技競爭要地。

本文摘編自《腦機接口基礎器件》（印二威等著. 北京 ：科學出版社，2026.01）一書“第5 章 總結與展望”“前言”，有刪減修改，標題為編者所加。

(智能人機交互前沿技術叢書)

ISBN 978-7-03-084767-6

責任編輯：孫伯元 王 杰

本書以腦機接口基礎器件為對象，按照電極-芯片-系統的層次邏輯、非植入式-植入式的結構順序，詳細介紹腦機接口系統的工作原理、結構設計與選材加工，以及其發展背景和歷程，中間穿插介紹腦機接口技術的應用現狀和前景。

本書兼具知識廣度和深度，既注重基礎知識的介紹，也系統深入探討腦機接口器件的設計原理，可作為腦機接口領域的科普讀物，也可供相關領域的學生、科研人員、工程技術人員等參考。

（本文編輯：劉四旦）

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