其他

隨心而動︰以意念操控機器

科學家使用極細微的金屬絲,收集大腦活動的放電活性,再經過極其精密的數學運算,就可讓人以意念操控機器。

撰文/尼可列利斯(Miguel A. L. Nicolelis,美國杜克大學神經工程中心主任)、查品(John K. Chapin,美國紐約州立大學下州醫學中心的生理及藥理學教授)
翻譯/潘震澤(美國韋恩州立大學生理學博士、陽明大學生理學研究所教授)

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隨心而動︰以意念操控機器

科學家使用極細微的金屬絲,收集大腦活動的放電活性,再經過極其精密的數學運算,就可讓人以意念操控機器。

撰文/尼可列利斯(Miguel A. L. Nicolelis,美國杜克大學神經工程中心主任)、查品(John K. Chapin,美國紐約州立大學下州醫學中心的生理及藥理學教授)
翻譯/潘震澤(美國韋恩州立大學生理學博士、陽明大學生理學研究所教授)

小貝麗的神奇實驗


小夜猴貝麗坐在隔音室裡一張特殊的椅子上,地點是我們位於美國杜克大學的實驗室。貝麗的右手抓著操縱桿,同時看著展示面板上一系列水平的線條。她曉得,當有燈光亮起,只要把操縱桿向左或向右移動以對應該亮光位置,就會有一滴果汁送進她的嘴裡。她喜歡玩這種遊戲,也相當在行。


貝麗頭上戴個罩子,固定在頭殼上,底下有四個塑膠接頭。從這些接頭伸出一組微細的金屬絲,每根都比最細的縫衣線還細,插入貝麗大腦運動皮質的不同部位。運動皮質是腦中負責籌畫動作,並傳送指令給脊髓神經細胞執行計畫的組織。那100根金屬絲每一根都靠近單一個運動神經元;當神經產生放電,也就是出現「動作電位」(action potential)時,鄰近的微細金屬絲就會攫取其電流,順著一小簇金屬絲往上傳遞,穿過貝麗的頭蓋,抵達小隔間外桌上的一台電子儀器。該台儀器又與兩台電腦相接,一台就在隔壁房間,另一台則遠在半個美國外的地方。


位於走廊對側一間擁擠的房間裡,我們研究小組的成員都有些急躁不安;經過幾個月來的辛苦工作,我們正準備開始測試我們的想法:是否可將活生生個體腦裡的原始電流活性,即貝麗單純的念頭,轉換成可以指揮機器人的訊號?在2000年春天的那個午後,有個組裝完成、擁有多重關節的機械手臂擺在我們房裡,貝麗根本不曉得有這個東西存在,也看不到,但她即將進行首度的控制實驗。等貝麗的大腦一覺察到面板上有光亮起,桌上的電子儀器就執行了兩種即時的數學模型計算,快速分析由貝麗的腦細胞所產生的微小動作電位;位於我們實驗室的電腦,則會把該放電模式轉換成控制機械手臂的指令。位於北邊960公里外的美國麻州劍橋有另一台電腦,將指揮由麻省理工學院「人類及機器膚覺實驗室」(亦稱觸覺實驗室)主任錫林尼瓦桑所建造的另一個機械手臂,使之產生相同的動作。至少,我們原先的計畫是像這樣的。


貝麗的960公里長傳


貝麗首度以其意念控制某個多關節機械手臂那天,她的頭上黏了一個罩子,罩子下方有四個塑膠接頭,每個接頭都有一組由微金屬絲組成的陣列,通往貝麗的大腦皮質(見右圖)。當貝麗看到前方突然閃現亮光,而決定向左或向右移動操縱桿與亮光對應時,她腦中的微金屬絲就會記錄到活化的皮質神經元所產生的電流訊號,並將該訊號傳至稱為「哈維箱」的電子裝置。




哈維箱將訊號收集、過濾並放大之後,傳遞給位於隔壁房間的電腦伺服器。同時間,哈維箱可將接收到的訊息以光柵圖形顯示:每一列代表的是單一神經元隨時間而改變的活性記錄,每一個色帶則表示該神經元在那一刻正在放電。


接下來,電腦對於貝麗手臂即將採取的動作進行預測(見右圖右下角),並將該訊息轉換成可讓機械手臂產生相同動作的指令。然後,該電腦將指令送給走廊對面房間的另一台電腦,執行操作機械手臂的工作。在此同時,該電腦指令也從我們位於北卡州都蘭姆市的實驗室,送往好幾百公里外的另一實驗室,指揮另一座機械手臂。結果,兩個機械手臂都與貝麗的手臂進行同步的動作。