互联：脑机交互如何走出实验室？

你好，我是孙瑜，欢迎回到《脑机接口》课。

相比于探讨脑机接口的原理，我相信你更关注脑机接口如何尽快走出实验室，它到底有什么应用。那么，今天这一讲，我先来介绍，脑机接口如何突破商业化的两大难关。

你还记得上一讲我们说过，脑机设备有两种类型：侵入式和非侵入式。有意思的是，在美国，侵入派和非侵派公司刚好在东西海岸主动划分了地盘。

侵入派盛行在硅谷为首的西部，代表公司是希望提升人类智力的Kernel和马斯克的Neuralink。

而 “非侵派” 呢，集中在东部，有从哈佛校园走出来的BrainCo，还有加拿大的Muse等等。

而要走出实验室，无论侵入式还是非侵入，都避不开两大难关：一个是安全性；一个是便利性。接下来我们看看能不能从材料科学的角度解决这两个问题。

1 安全性与微创植入

首先是安全性，像侵入式脑机接口需要开颅手术。但无缘无故开颅这事，我们一般肯定不愿意。毕竟开颅手术感染风险很大，还容易造成脑损伤。

2014年，神经科学家菲尔-肯尼迪教授（Phil Kennedy）因为找不到志愿者，冒险给自己开颅植入电极，结果呢，不仅第一次手术让他一度失去说话能力。只过了几周就因为颅骨没办法愈合，把电极拿出来了。

其次，植入什么设备也非常重要。像犹他电极，还是太硬，太锋利了。它是金属材料的，像针一样，而大脑呢，就像一块豆腐。你可以想象，如果是长期植入，大脑轻微的晃动都可能让针划伤柔软的脑组织，造成脑损伤。

而且大脑被划伤就会有排异反应，就像我们手划伤之后会有疤痕一样，大脑里也有疤痕。这些疤痕会严重阻碍信号的记录。

同时，说到长期植入，我们还要考虑电极能不能和我们的大脑共存，长期留在体内。这就需要生物相容性非常好的材料，它肯定不能毒害大脑细胞才行。

那我们怎么能做出既柔软，导电性又好，还无害的电极呢？这时候，材料科学家就出场了。

我熟悉的纳米材料领域，科学家已经找到了一些解决问题的思路。第一个思路很简单，既然开颅手术风险这么高，我们能不能不做这个手术呢？我们尽可能采用一些微创、或者无创的方式植入电极可不可以呢？

著名的纳米科学家，哈佛大学的查尔斯·李波（Charles Lieber）教授的研究小组，发明了一种像网兜的脑机接口，只用微创手术就能植入大脑。

他们把电极排布到了这个网兜上。不用开颅，注射器就可以把网兜注射进大脑。一旦网兜被注射进去，这张网就会张开，可以很柔软地贴合在大脑皮层上，采集高质量的脑电信号。这种网兜一样的电极在小鼠身上实验已经成功了。

如果你想象不到这个网兜的样子，我在文稿里放了图片，你一看就明白了。

埃隆·马斯克的NeuraLink脑机接口公司，宣称他们用的就是这种技术。马斯克还给网兜接口起了一个很优雅的名字，叫做“神经蕾丝”。“蕾丝”就是我们平时说，衣服上的蕾丝，你可以想得到它的柔软度和舒适度。

“神经蕾丝”的名字不是杜撰的，而是来源于一本叫《文明》的科幻小说。小说里的“神经蕾丝”可以上传和下载人们的想法。

总结一下，这种不需要开颅，也能把电极放入大脑里的中间派，我们叫“半侵入”脑机接口，是最前沿的技术。

在硅谷有一家公司叫Synchron，他们做了一种很像心脏支架的电极，也是一种半侵入的脑机接口。顺着血管就可以把支架放入大脑中。

2 柔性电极与材料科学

一方面，科学家尽可能用这些微创，甚至无创手术的方法来解决安全问题。另一方面呢，我们也在电极材料本身寻找突破。

比如我研究的一种材料，非常适合做成柔性电极。这个材料叫石墨烯。石墨你可能知道，是非常好的导电体。石墨烯呢？简单来说，就是非常薄的石墨片，最薄可以达到每层只有一个碳原子，大概比头发丝的4万分之1还要薄。

石墨烯和石墨一样，导电性非常好，而且因为它这么薄，电子的穿梭速度更快，能达到光速的1/300，这远比铜、银快多了。

薄的好处当然不止导电性，它必然会很柔软，达到纳米级的石墨烯，几乎和丝绸一样柔软，不仅不会伤害脑组织，还可以非常贴合地覆盖在大脑皮层上。

说了薄的好处，我们一般就会想到，薄的东西都很脆。但石墨烯却不是这样，它的机械强度非常高，几乎是钢铁的200多倍。就是说它又柔软，你还拉不断、砍不断它。

石墨烯电极导电性不错，柔软又有韧性，那会不会对大脑细胞有害呢？也完全没有，它的生物相容性非常好。甚至有实验证明，石墨烯会助长神经突触的发育，也就是说，它能促进大脑生长。

所以，材料科学是解决脑机接口安全问题的重大突破口。这也是我作为材料科学家，选择大力投入脑机接口的原因。我们不仅可以研发柔性电极，同时也尽量研发创伤很小的脑机设备。

3 便利性与可穿戴设备

说到这，你肯定发现了，好像侵入派为走出实验室做了很多努力，怎么没见非侵派的身影呢？

像我们上一讲提到的那样，非侵派的脑机设备不用植入大脑，安全性没有太大的风险。他们急需解决的是便利性的问题。

像最典型的非侵派脑机，医院里的脑电图（EEG），它肯定没办法在生活中使用。这种设备又重，使用起来又麻烦。要做可穿戴的电子产品，我们需要减少脑电图（EEG）的电极数量，减轻电极帽重量。

简单来说，我们的目标就是努力把设备做到越来越小，让脑机佩戴起来更轻便，更舒服，尤其是能够符合长期佩戴的需求。

2018年初，我去了一趟美国消费性电子展（CES）。在现场，已经能看到一些相对轻便的脑机了。比如尼桑公司展出的用于开车的一个头戴脑机设备，长得像一个运动发带一样。

这个设备干什么用的呢？我们马上想到是不是可以自动驾驶？很遗憾现在还没有这么高级，不过它可以通过采集脑电波，预防驾驶事故。它的原理就是开车时，身体行为反应比大脑慢。

科学家发现，在紧急状态下，大脑释放脑电波比身体反应要早0.2-0.5秒。这个时间听起来非常短，但如果你车速到了100迈，0.3秒就等于8m的刹车距离，如果能有提前反应，把脑电波直接传给刹车装置，很多事故就不会发生。所以这个产品放在刹车场景下会非常有用。

不过尼桑的这种头戴其实做得还不够小。你想，就算运动、瑜伽，冥想的时候，你还能勉强接受戴个头戴，但是睡觉的时候，你肯定不想在头上戴任何东西。

像我了解的一些公司就推出的睡眠监测产品，也做成头戴。刚推出的时候很火，但很快热劲就过了，因为太笨重了。

我接触过最小的脑机设备，是波士顿公司MC10用纳米材料做的。他们能把电极做得就像纹身贴纸一样，可以直接粘在皮肤上，我们管它叫“电子纹身”。

这家公司是美国国家科学院院士约翰·罗格（John Rogers）教授创立的。毫不夸张地说，罗格教授是柔性电子领域最顶尖专家。

这类柔性脑机设备就会方便很多，不仅贴在脑门上就能采集脑信号，我们也感觉不到它的存在，很适合长期佩戴。哪怕是高难度的瑜伽动作，它也可以和皮肤贴合得非常好，轻便又不影响美观。要是做成一次性的，只用清水就可以轻易洗掉。

好，总结一下，无论侵入派还是非侵派，都需要材料科学的支持才能走出实验室。那现在哪一派占上风呢？不可否认，侵入派的技术更有潜力。但是有能力率先走入市场的，的确是非侵派。

课后思考题

非侵派脑机正在和我们的生活发生千丝万缕的联系，你了解哪些舒适好用的脑机接口产品吗？欢迎在留言区和我们分享。

不过，这种自带光环的黑科技，无论是哪类脑机接口，都会有意想不到的应用。下一讲，我们进入第二模块，我带你从四层脑机金字塔出发，拆解完整的脑机应用体系。