零距離科學:未來改造人

零距離科學:未來改造人

我們想讓你知道的是

人機介面技術於近年快速發展,於不久將來想必對人類的生活模式帶來不少轉變。

文:盧駿揚(香港中文大學通識教育基礎課程講師)
圖:香港電台 

改造人(Cyborg)聽起來像是科幻小說中的東西,但其實它離我們並不遠。「改造人」一詞的定義各人眾說紛云。有人認為裝設了心臟起膊器的人也可稱為改造人,有人更認為人類跟電子產品的緊密連繫已使人類全都成了改造人。不過本集《零距離科學》所探討的是更前膽性改造人技術——這些技術的目標大多是增強人類本來有的機能,甚至為人類創造新的能力。

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我們的生活早以被電子產品及電子資訊圍繞著。不過不少公司仍致力尋找方法讓人類以更直接的方式跟電子資訊打交道。

紀錄片中介紹了不同類型的人機技術——包括義肢(prosthetic)、機械外骨骼(powered exoskeleton)、擴增實境(augmented reality)眼鏡等等,不過說到機械與人體的緊密連合,就不得不談約翰.多諾霍(John P. Donoghue)博士的人機介面(brain machine interface)研究成果。約翰.多諾霍博士是一位美國神經科學家,他創立了布朗大學的腦科學研究院(Carney Institute for Brain Science),是人機介面研究的前緣人員。在紀錄片中他主力介紹了自家出品的BrainGate系統。

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布朗大學的約翰.多諾霍(John P. Donoghue)博士是人機界面研究的先驅之一。

BrainGate是一種人機介面。人機介面是人腦訊號跟機械電子訊號溝通的媒介。人類的大腦雖然是由細胞所組成,但它跟機械有一相通之處,就是兩者均以電流作通訊訊號。因此原則上只要我們能拆解大腦的電子訊號,就能把它「翻譯」成跟機械交流的訊號。

但要完全解讀大腦的訊號也絕非易事,因此多諾霍博士研發的介面也並非要把大腦中的一切訊號完全翻譯出來。BrainGate系統包含一個微小的感應器(約4 x 4 微米)與解碼器。該感應器看起來就像是在一塊金屬平面上插上了無數細小的針,這些金屬針是微電極 (microelectrode),能夠感應腦中的電子訊號。這個感應器被植入大腦中的不同部份後,就能截取該部分的神經元電訊。神經元電訊被截取後,便會把它送到解碼器進行分析,而這些經過處理的信號則可用來控制各種不同的機械。

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BrainGate的感應器非常細小,遠小於我們的手指頭。
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BrainGate是多諾霍博士研發的人機界面。它的感應器是由無數的微電極所組成。植入腦部後,這些電極便能感應大腦的訊號,並把它傳遞至解碼器以作分析。

多諾霍博士其中一項最重要的研究就是把BrainGate植入人腦中的初級運動皮層(primary motor cortex),從而讓四肢癱瘓的患者重獲有限度的活動能力。這項研究最初是在猴子上進行的。多諾霍博士於2002年在《自然》期刊刊登了一份名為《Instant neural control of a movement signal》的研究報告。在該研究中,研究員把BrainGate(當時並未命名為此)植入猴子大腦中的運動皮層。團隊第一步首先讓猴子用手操控螢幕上的指標,並由收集回來的訊號中分析出實際對操控指標有用的訊號。找到那個訊號後,團隊就以BrainGate感應器監察著該訊號,並訓練猴子以腦部來控制指標。結果是驚人的,猴子以手部控制指標的路徑,竟跟腦部控制指標的路徑非常貼近。這即是說,多諾霍博士所研發的人機介面是成功的。

有了這項初步研究,多諾霍博士便嘗試把它應用在人體身上。於2006年,他再一次在《自然》期刊發表論文——《Neuronal ensemble control of prosthetic devices by a human with tetraplegia》。這項研究正正就是把BrainGate植入人腦中。研究對象是一位25歲的男性,他因著刀傷而令脊椎受損,導至四肢癱瘓。團隊把BrainGate安裝在研究對象大腦中的初級運動皮層(primary motor cortex)。不過因為研究對象無法移動手腳,所以團隊就只能截取對象「想像」移動時所產生的電訊。成功截取並分析這些訊號後,團隊便指導對象如何以大腦來控制指標。最後實驗結果是成功的,對象能單憑思想便能在畫圖軟件上畫出圓形,也能控制電視音量、頻道,甚至能參與簡單的電腦遊戲。

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在進行動作時,BrainGate能把大腦的信號收集起來並作出分析,那麼我們就可以把不同的信號對應上不同的動作,並把它傳遞至機械中引發相應的動作。

這項研究於2012年更上一層樓。多諾霍博士再度於《自然》期刊發表論文,名為《Reach and grasp by people with tetraplegia using a neurally controlled robotic arm》。這項研究的突破在於它讓人腦與機械上的硬件作進一步連合。在上一項研究中,研究對象只是以大腦來控制軟件;在2012年的研究中,對象卻是能直接操控機械臂。這樣才能讓他跟現實世界中的物件有所互動。

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人機介面的研究甚至讓四肢癱瘓的人重獲操控周遭物件的能力。

但這項研究並不停於此,BrainGate團隊於2021再次帶來新的突破,把BrainGate系統加以改良,讓它能以無線通訊方式跟機器連接。研究對象因此能以大腦信號遙距控制平版電腦。無線技術讓人機介面變得更輕盈便利,可用性也大大提高。

人機介面技術於近年快速發展,於不久將來想必對人類的生活模式帶來不少轉變。

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義肢技術在近年快速發展。神經科學(neuroscience)跟機械人學(robotics)的結合讓我們發展出不少能幫助殘疾人士重獲新生的器械。

《零距離科學》(節目網站)集合世界各地有趣的科學紀錄片,網羅與大眾息息相關的科學資訊,啟發觀眾的好奇心和求知慾,節目逢星期五晚9時30分在港台電視31播映。本集於7月2日播出。港台網站及流動程式RTHK Screen視像直播及提供節目重溫。

責任編輯:Alvin
核稿編輯:Alex


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