以意念操控AI：仰賴人腦與電腦雙向學習的腦機介面

腦機介面（Brain-computer interface， BCI）的核心價值：「無需動作的溝通( Communication without movement. )」。

[1]意即人們透過大腦意志，不須 ... Sunday29thMay2022 29-May-2022 人工智慧 化學 物理 數學 生命科學 生命科學文章 植物圖鑑 地球科學 環境能源 科學繪圖 高瞻專區 第一期高瞻計畫 第二期高瞻計畫 第三期高瞻計畫 綠色奇蹟－中等學校探究課程發展計畫 關於我們 網站主選單 以意念操控AI：仰賴人腦與電腦雙向學習的腦機介面 編譯／吳奕萱 腦機介面（Brain-computerinterface，BCI）的核心價值：「無需動作的溝通(Communicationwithoutmovement.)」。

[1]意即人們透過大腦意志，不須移動身體任何部位，便能與外界溝通，甚至控制周遭的物體。

腦機介面為肢體障礙者，提供了「用想的」便可操控的介面，取代鍵盤、滑鼠與說話等，需要實際移動身體的溝通方式。

2016年，第一屆「人機合體」運動會（Cybathlon）在瑞士蘇黎世舉行。

其中的腦機介面項目，像極了一場電玩競賽：選手須利用腦波操縱虛擬角色（avatar）精準執行指定任務。

來自蘇黎世聯邦理工學院（EidgenössischeTechnischeHochschuleZürich，ETHZ）的團隊發現，操縱效能的關鍵在於讓人腦與機器相互學習（mutuallearning）：除了機器要學習處理腦波訊號的最佳模式外，程式設計者也要保留空間讓使用者熟悉機器運作模式，學習發出更清楚的控制指令。

腦機介面 圖一腦機介面系統（資料來源：參考資料[1]）「腦機介面」利用腦波電訊號，進行人與機器間的溝通，令患者得以操控電動輪椅，或利用機械手臂抓取物品。

使用者以視覺觀察周遭環境後，思緒專注於欲執行的動作，所產生的腦電波（Electroencephalogram,EEG）經放置於頭部表面的非侵入式電極貼片，單點或多點接收，傳至電腦軟體。

電腦對EEG訊號進行前處理與特徵抽取，產生特徵映射（featuremap）並進行分類（classification），成功解碼後便能據此控制物體。

近年來腦機介面相關研究主要著重於訊號的取得，以及訊號的處理與演算。

在此案例中，EEG訊號由貼附於頭皮的無線乾電極所收集，相較於經手術由大腦皮層收集，具有低侵入性及操作流程簡便的優點。

演算法的研究，則包括如何辨識EEG訊號並抽取特徵、降低雜訊干擾以及如何根據個體差異，調整控制裝置的動作，提升可靠度。

由於量測到的EEG訊號，其實是多個神經元放電後相互疊加的結果，因此研究人員必須分析使用者大腦在執行不同任務時的腦波特徵，找出有助於判讀使用者意圖的線索。

其中，視覺刺激電位（Visualevoked-potential，VEP）與事件相關電位（Event-relatedpotential，ERP），隱含許多與腦部活動及功能相關的腦波特徵。

而獨立成分分析（IndependentComponentAnalysis），則能有效分離因眨眼產生的肌電訊號（EMG）以及背景電磁干擾[3]。

隨著機器學習技術的發展，能識別關鍵EEG波形的演算法亦有長足進步，得以更精確地解析EEG訊號，理解使用者「意志」。

人類也要學習機器的運作模式？ 除了藉由機器學習提升EEG訊號的識別準確度之外，有什麼方法能讓訊號特徵更加明顯，從源頭改善問題呢？ETHZ研究團隊於是訓練兩名脊髓損傷患者，參加「人機合體」的比賽項目。

在嘗試多種腦機介面系統後，他們得以精確控制螢幕上的虛擬角色，在比賽中旋轉、跳躍與滑行，且穩定行走不絆倒。

當操作者的大腦處於放空狀態時，角色會以中等速度前進；若正確執行任務，則加速；錯誤動作，則減速。

經過數月訓練，兩位受試者最終在競賽中擊敗了其他十位參賽者，獲得金牌，並創下大會紀錄。

他們認為分數提高最大的關鍵：在於使用者若能對機器的判讀模式有所了解，調整自己的控制方式，便可大幅降低機器校正的頻率[2]。

研究結果顯示，經雙向訓練後，機器判讀兩位受試者動作的平均準確度，分別由53.8%提升至93.8%；81.9%提升至96.8%。

而所有動作中，「旋轉」的判讀正確率最高。

由此可知，當使用者試圖控制虛擬角色時，腦中因同時想像著同樣的動作，而產生的感覺運動節律（sensorimotorrhythm），會隨著使用的時間與累計次數，愈來愈清晰。

與投籃相似，因熟練而生巧，逐步掌握適當的力度與角度。

同理，若機器重新校正的頻率過高，使用者反而難以掌握溝通訣竅，機器判讀的精確度亦難以提升。

雙向學習，創造雙贏 以往的機器學習著重於機器單方面的學習與判讀。

而此研究團隊則從另一角度出發，讓使用者也能學習產生更清楚、有明顯特徵的EEG指令。

雙向學習讓人腦與電腦得以相互學習、共同成長。

不僅使得機器有更高的指令成功辨識率，使用者操作起來也更「得心應手」。

  編譯來源 Brain-computerinterfacebasedonmutuallearninghelpstetraplegicsinavatarrace:Mutuallearningaskeytotranslationalbrain-computerinterfaceScienceDaily,10May2018. 參考資料 BNCI(Brain/NeuralComputerInteraction)Horizon2020,“AboutBCIs”,2015. S.Perdikis,L.Tonin,S.Saeedi,C.Schneider,J.R.Millán.“TheCybathlonBCIrace:Successfullongitudinalmutuallearningwithtwotetraplegicusers“.PLOSBiology,2018. 徐聖修，「腦機介面(Brain-ComputerInterface)專題」，2014. D.Novak,R.Sigrist,N.J.Gerig,D.Wyss,R.Bauer,U.Götz,etal.“BenchmarkingBrain-ComputerInterfacesOutsidetheLaboratory:TheCybathlon2016.”FrontNeurosci.2018. U.Chaudhary,N.Birbaumer,A.Ramos-Murguialday.“Brain-computerinterfacesforcommunicationandrehabilitation.” NatRevNeurol.2016. ETHZurich,“Cybathon–movingpeopleandtechnology” (本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」執行團隊編譯) Tags:機器學習,腦機介面 前一篇文章下一篇文章 您或許對這些文章有興趣 AI需要新版涂林測試 從一張2D影像直接建構3D資訊 自舉式學習：AI的第四條路 人機共處的新世界(1/2) 行動保健科技妙用無窮 談談AI的「低潮期」─演算神經醫學 自駕車緩解塞車窘境 複合式量子機器學習 發表迴響Cancelcommentreply 你的電子郵件位址並不會被公開。

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