西宁网站优化,宜春个人网站建设,网站重要组成部分,虚拟空间能建多个网站来源: 智东西编辑#xff1a;智东西内参VR、AR和脑机接口#xff0c;谁是人类通往元宇宙的合适入口#xff1f;VR/AR/脑机接口是集合了微显示、传感器、芯片和算法等多项技术在内的下一代人机交互平台。回顾整个人机交互发展历程#xff0c;我们看到人机交互的指令输入形式… 来源: 智东西编辑智东西内参VR、AR和脑机接口谁是人类通往元宇宙的合适入口VR/AR/脑机接口是集合了微显示、传感器、芯片和算法等多项技术在内的下一代人机交互平台。回顾整个人机交互发展历程我们看到人机交互的指令输入形式和反馈输出形式都在朝着更低的操作门槛和更高的交互效率演变。当前我们正站在智能手机时代和下一个交互形态的交界处我们认为尽管 VR/AR 在输入技术传感和输出技术显示方面均较上一代交互设备有显著飞跃但目前仍处于发展的早期阶段。随着元宇宙应用的发展和内容生态的完善元宇宙对硬件的需求逐步清晰将推动 VR/AR/脑机接口设备的逐步升级最终有望出现可以和 PC、智能手机媲美的下一代硬件。本期的智能内参我们推荐华泰证券的报告《人机交互系统是通往元宇宙的入口》分析VR、AR和脑机接口设备在元宇宙时代的发展趋势。 来源 华泰证券原标题《人机交互系统是通往元宇宙的入口》作者黄乐平 等01.元宇宙场景落地定义下一代人机交互升级方向随着元宇宙应用场景的清晰化未来 VR/AR/脑机接口的发展方向逐渐明确。早期的硬件设备受制于应用场景和内容单一化、用户对硬件设备的体验不完善等缺陷初代VR/AR 并未实现大规模增长。现在我们看到游戏、电商、协同办公、社交、健身、医疗、视频和等元宇宙应用场景正逐渐清晰这对 VR/AR/脑机接口硬件端提出了更高的需求有望驱动包括微显示技术、三维重建、生物传感器、肌电/脑电处理、全身追踪、空间定位在内的多项底层技术不断完善。▲元宇宙各大应用场景对沉浸感和交互感的要求1、游戏强调“沉浸感”的元宇宙游戏需要多平台/VRAR/云原生技术作为底层技术支撑当前游戏已具备元宇宙所拥有的虚拟身份、朋友、经济系统等特点但未能给玩家完全带来“沉浸感”硬件方面主要受制于近眼显示和多维感官传感技术不够成熟。未来元宇宙游戏将朝着更强的沉浸感与更丰富的内容生态方向发展需要借助成熟的场景渲染和沉浸声场技术增强声画效果借助全身运动追踪、传感器、空间定位等技术增强临场感。优质的游戏内容创新将与 VR/AR 硬件升级互相形成正反馈效应促进元宇宙游戏生态的发展并为高性能计算芯片、硅基 OLED、Micro LED 以及相关设备组装企业带来增量空间。▲元宇宙游戏发展方向及底层技术2、电商虚实交融的沉浸式购物模式为近眼显示、AI 芯片、传感器带来发展机遇传统电商平台仍主要以图片和视频等平面化形式展示商品。尽管近年来电商直播、AR 试妆等形式兴起一定程度上弥补了传统电商在购物时较为单薄的观感体验然而对于服饰等SKU 丰富的非标品类商品用户仍然无法对其进行在线试品。在“在线即在场”的终极需求驱动下元宇宙时代的电商有望进一步突破物质世界屏障通过 AR/VR/MR 等新一代人机交互平台实现视听甚至触觉等多感官交互的购物体验创造如 3D 虚拟商场、数字展馆等消费者购买场景。我们认为这一进程主要依赖于近眼显示、三维重建、触觉传感乃至虚拟人等技术的成熟将为相关微显示、传感器、芯片企业带来增长空间。▲元宇宙电商有望借助 VR/AR/MR 实现“在线即在场”的沉浸式购物体验3、协同办公/社交借助手势追踪、语音识别、眼动追踪、虚拟化身实现互动感未来元宇宙办公/社交有望突破物理空间的局限将带来最接近实地面对面的工作和交友体 验提升办公生产、沟通、协作效率。当前移动互联网阶段的远程办公距离理想模式有一定差距工作效率与沟通效果仍存在局限性。而元宇宙办公/社交则强调互动感例如用户可以全程通过手势操作即可满足在 VR 虚拟空间中举手、竖大拇指点赞等功能显著降低人机交互平台操作门槛同时实现无距离感互动。这一场景的实现将主要借助手势读取、眼动追踪、语音识别、空间定位等 VR/AR 底层技术。4、医疗与健康VR/AR/脑机硬件将搭载先进生物监测以及脑电信号处理技术在生物监测方面当前随着心率监测、血氧检测技术的成熟已有部分智能手环和手表产品中引入了医疗级功能向着更专业的医疗设备进化将是智能穿戴重要发展方向。未来智能穿戴产品有望大规模搭载 ECG 心电图以及无创血糖检测等新功能针对老年群体、慢病群体提供更专业的服务这也对血糖、血氧等生物监测技术提出了更高的要求。长期来看人机交互硬件在医疗与健康领域有望拓展到服务神经系统和肌肉系统瘫痪的患者如脑、脊髓疾病、中风、外伤等这一需求将为脑机接口技术创造可观的发展前景。▲生物检测与辅助健身场景5、视频VR/AR 技术带来高沉浸感的流媒体观赏体验传统影视作品、长视频与短视频仍主要通过电视、影院、视频平台等媒介传播受制于平面化的表现形式内容的表现力仍有较大提升空间。元宇宙时代观众有望使用先进 VR/AR设备更沉浸地观看电影、现场实况、音乐会等内容娱乐性与体验感将迎来质的飞跃。目前包括 Netflix 和爱奇艺在内的长视频平台已对“元宇宙视频”的落地做出了积极探索。6、模拟训练/教育将实现虚拟空间中对实体环境的仿真映射模拟训练是指将现实中的场景复刻到虚拟世界中应用于军事训练、工业设计、教学训练、安全应急演练等较为复杂或具有高危险系数的领域。工业领域中制造业企业将在仿真虚拟空间中充分利用各类数据优化工业生产环节中的设备工艺和作业流程。军事和安全应急领域均有进行模拟演练的需求未来有望在虚拟场景开展更大规模和更复杂的军事和应急训练实现节省训练成本、提高安全性的目的。鉴于模拟训练用途的特殊性其对沉浸感和交互感的要求相对而言较低无需依赖高端硬件设备加成目前已有曼恒科技、壹传诚等企业实现了商业化。02.AR/VR下一代人机交互平台VR 是 Virtual Reality虚拟现实的缩写指计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术在多维信息空间上创建一个虚拟信息环境提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟能使用户具有身临其境的沉浸感具有与环境完善的交互作用能力的一种崭新的人机交互手段。VR 头显经历 VR 盒子、VR 头盔、VR 一体机三阶段爆款产品持续主导硬件消费市场。2Q21 全球 VR 产品出货量达 212.6 万台同比增长 136.4%其中 Oculus Quest 2 出货量占 75%持续主导市场。从 2014 年开始行业销量由爆款产品主导的特点仍然没有变化2015-2017 年三星 VR 盒子、2016-2018 年 PS VR、2019 年至今 Oculus 一体机。▲VR 历史销量VR 盒子、VR 头盔、VR 一体机持续迭代▲主流 VR 产品比较2022 年 VR 将迎来一波创新技术潮流 MetaVR 产品迎来升级苹果推出高端产品。根据digitimes推测 Meta 下一代 VR 升级产品将于明年推出将引入 pancake 光学模组和更多传感器以实现产品轻量化并升级手势识别、眼动跟踪等功能而苹果也将在 2022年底推出一款高端 VR 方案这款高端产品能够会重新定义 VR 这个产品形态。预计这款产品将配备 Micro-OLED 显示屏复合菲涅尔透镜 pancake 方案全彩影像透视、搭载更多传感器为消费者带来全新混合现实体验。在 Meta 较早的pancake 技术专利中我们可以看见一个显示组件包括具有四分之一波片和部分反射表面的第一透镜、具有反射偏振器的第二透镜和显示器实现头显的轻薄化。我们认为苹果同样在探索使用三个菲涅尔透镜堆叠形成轻薄透镜组的方案。改进光学透镜后的 VR 产品将实现轻薄化头显重量或由原来的 500g 降低至 200-300g。Meta 下一代 VR 产品与苹果 MR 产品将会增加传感器主要是摄像头的种类与数量。高通在其官网上披露高通骁龙 XR2 芯片算力最多可支持 7 颗摄像头2 颗眼动追踪2 颗混合现实2 颗头部 6DoF追踪1 颗其他并可以此实现 MR 混合现实功能。我们认为 Meta 下一代或充分利用骁龙 XR2 算力为产品进行功能升级。根据 digitimes 等杂志 2022 年 1 月中旬的报道苹果或将搭载与 M1 芯片相似算力高阶处理器和一个负责传感器的低阶处理器支持 5-8 个外置相机模组2 个内置眼动追踪相机模组1-2 个 ToF 摄像头以实现全彩RGB 影像透视和眼动追踪、手势追踪等功能实现内容与应用边界的拓展也为内容生产商提供更多的数据支持。为 Meta 下一代或沿用 FastLCD 屏幕与 quest 2 分辨率差别不大但具有像素级控制的先进背光可以展示和 OLED 一样的纯黑底色而苹果或使用高分辨率、高对比度、宽色域、快速响应的 Micro-OLED 显示屏随之而来的或是高昂的售价根据Digitimes 等媒体 2022 年 1 月中旬的报道新一代苹果 MR 产品售价可能达到 1500-3000美元高于当前 Oculus quest 2 的最低售价 299 美元。03.AR新技术强势推动ARAugmented Reality增强现实是促使真实世界信息和虚拟世界信息内容之间综合在一起的较新的技术内容与 VR 不同的是AR 能够将真实环境和虚拟物体之间重叠之后在同一个画面以及空间中同时存在。AR 中的关键技术包括跟踪定位技术、虚拟与现实合并技术、显示技术与交互技术。根据 IDC2020-2021 年 AR 年出货不含Screenless viewer在 20-30 万之间增速波动大。从品牌来看除 Epson 和微软外其他较多品牌并没有实现 AR 的持续大规模销售常常在 1-2 个季度的爆发后销声匿迹消费端市场上没能出现标杆性的品牌我们认为 AR 作为一款消费电子产品仍然处于概念期阶段。长期来看 AR 终端有望替代手机实现年出货量超过 10 亿台对比手机出货量超过 13 亿台但目前来看实现这个目标时日尚早。从应用看AR 产品仍未出现杀手级的应用场景。从技术角度看虽然OLEDBirdbath 方案已经比较成熟但因透光性差等原因形似墨镜的设计不能支持全环境的使用。而其他微显示系统如 LBS/LCoS/DLP 等搭配光波导的方案仍在探索过程中。一款合格 AR 眼镜需要怎样的配置显示由于 AR 像源产生的图像将与太阳光一起进入人眼户外若不加墨镜入眼亮度需超过 2,000nits甚至达到 5,000nits才能在各种天气状况下清楚的显示图像。目前一款光波导眼镜的光效率大约为 3-5%即像源亮度至少要在10 万 nits 左右才能满足 AR 眼镜的亮度需求。此外75Hz 以上的刷新率、25°视场下 720P的分辨率、支持局部刷新及低功耗状态下静态图像的维持是一款 AR 眼镜的及格线。人、机、环境的有效交互为了实现虚拟信息和真实场景的叠加需要实现使用者的空间定位追踪和虚拟物体在真实空间中定位。除此之外为了将虚拟信息与输入的现实场景无缝结合在一起增强 AR 使用者的体验还需要考虑虚拟事物与真实事物之间的遮挡关系以及实现几何一致、模型真实、光照一致和色调一致。从上世纪 80 年代发展到现在SLAM 传感器、算法、技术框架等持续改进是实现自我姿态评价以及虚拟图像反馈构建人与虚拟内容的有效交互的主要手段。当前已提出的微显示技术包括 OLED有机发光二极管/ LCoS硅基液晶/ DLP数字光处理/LBS激光束扫描仪等待但这些技术均无法兼顾成熟性、性能、成本等指标。MicroLED 是业内公认的 AR 显示最佳解决方案但存在技术尚不成熟、量产难度大等问题真正大面积商用可能要到 2025 年左右。▲微显示技术一览LCoS —— 限制较多逐渐淡出 。LCoS 作为微显示技术存在比较明显的限制逐渐淡出微显示领域。LCoS 的优势在于技术成熟成本低廉像素密度高且功耗低在早期的 AR 设备中应用较多如灵犀微光灵犀AR(LCoS几何光波导)Magic Leap One (LCoS衍射光波导)。但劣势也相对明显大量厂商都在积极寻求使用 LBS/DLP 等方案代替 LCoS2018 年以后搭载 LCoS 的新机型逐渐淡出。硅基 OLED —— 亮度较低目前难以应用于户外 AR 场景。硅基 OLED 的缺点也比较明确应用局限于 VR 及类似设备。目前市场上主流的硅基 OLED产品亮度均小于 3000nits与 10 万 nits 的要求相去甚远难以应用于户外 AR 场景。同时由于产品的生产工艺更加复杂其价格比 LCoS 贵 50%以上但使用寿命在高亮度模式下将低于 3000 小时且极有可能出现烧屏的情况整体性价比更低。因此虽已有部分 AR 厂商使用硅基 OLED 替代 LCoS但其仍不是 AR 像源的最佳解决方案。LBS —— 激光二极管对温度敏感、分辨率较差。与 LCoS 等其他显示技术相比LBS 技术优势明显。LBS 系统主要由激光、光学器件和MEMS Mirror 组成由于 LBS 使用激光光源进行逐像素渲染相较其他非激光、逐帧渲染方案天然具有延迟低激光纳秒 vs 普通光源毫秒、画面滞留时间短、亮度高、能耗低、色彩丰富的优势。当前主流的 LBS 产品分辨率约720P提高分辨率可能需要较高的成本。AR 硬件/软件企业 Rave 首席科学家 Karl Guttag将搭载 LBS 光机的 HoloLens 2 代和搭载 LCoS 光机的 HoloLens 1 代进行对比测试后发现虽然 HoloLens 2 的垂直视场角较 1 代提升近一倍30 度 vs 17.5 度但其在分辨率、色彩均匀性等方面的表现均更差。此外HoloLens 2 实拍图色彩饱和度更低观感模糊雾度也更大。DLP —— 对温度敏感难以小型化。DLP 由于成本高、体积大等缺陷在 AR 场景中的应用有一定限制。DLPDigital Light Processing系统的核心是 TI 专利的 DMD 芯片Digital Micromirror Device它由数百万个高反射的铝制独立微型镜片组成每个镜片通过数量庞大的超小型数字光开关控制角度。这些开关可以接受电子讯号代表的资料字节然后产生光学字节输出将输入 DMD 的视频或图形信号转换成高清晰度的、高灰度等级的图像。MircoLED —— 仍处在早期阶段较多技术问题需要解决。MicroLED 产品性能绝佳是业内公认的 AR 显示最佳解决方案。Micro LED 即 LED 微缩技术通过将传统 LED 阵列化、微缩化后定址巨量转移到电路基板上形成超小间距 LED可将毫米级别的 LED 长度进一步缩小到微米级50um 左右原本 LED 的 1%。相较其它技术MicroLED 产品性能在亮度、对比度、工作温度范围、刷新率、分辨率、色域、功耗、延时、体积、寿命等多方面具备较大优势被期望为下一代主流显示技术的重要路径。MicroLED 的发展瓶颈在于微米级的像素尺寸和间距给量产和全彩方案所带来的巨大挑战。MicroLED 的生产包括芯片和背板制造、巨量转移、接合、驱动和检测维修等环节由于其晶粒尺寸在微米级生产单个成品即需要处理数百万甚至数千万晶粒对技术的效率和良率提出了极为严苛的要求现有技术水平还无法满足其量产需求。而 MicroLED 晶粒的发 光效率、波长一致性和良率也尚未达到 MicroLED 彩色化显示的要求。基于此现有MicroLED 屏幕价格高昂单片售价即大于 1000 美金。2018 年三星演示的采用 microLED技术的 The Wall 电视146 寸版报价高于 10 万美元。光学模组从几何光学到纳米光学。与 VR 的不同之处在于AR 眼镜需要透视see-through既要看到真实的外部世界也要看到虚拟信息所以成像系统不能挡在实现前方这就需要多加一个或一组光学组合通过层叠的方式将虚拟信息和真实场景融为一体设计包括自由曲面光波导等。▲AR 光学模组梳理光波导技术是应 AR 需求而生的一个比较有特色的光学组件。因它的轻薄与外界光线的高穿透特性而被认为是消费级 AR 眼镜的必选光学方案。AR 眼镜中光的传输关键在于“全反射”。其实波导技术并不是新发明光纤就是波导的一种只不过传输的是我们看不见的红外波段的光。光机完成成像过程后波导将光耦合进自己的玻璃基底中通过“全反射”原理将光传输到眼睛前方再释放出来就完成了图像的传输。越是大的视场角就需要越高折射率的玻璃基底来实现。因此传统玻璃制造商比如康宁和肖特近年来都在为近眼显示市场研制专门的高折射率并且轻薄的玻璃基底还在努力不断增大晶元尺寸以降低波导生产的单位成本。具体来看当前光波导技术可以分为下面三种1) 几何/列阵光波导。该概念和专利一直由以色列公司 Lumus 提出并持续优化迭代基本原理是耦合光进入波导的一般是一个反射面或者棱镜。在多轮全反射后光到达眼镜前方时会遇到一个“半透半反”镜面阵列将光耦合出波导。几何/列阵光波导目前大都只能实现一维扩瞳。这里的“半透半反”镜面阵列相当于将出瞳沿水平方向复制了多份每一个出瞳都输出相同的图像这样眼睛在横向移动时都能看到图像这就是一维扩瞳技术(1D EPE)。2) 浮雕光栅衍射光波导。传统的光学结构被平面的衍射光栅取代通过材料表面浮雕出来的高峰和低谷在材料中形成了一个折射率的周期性变化。通过设计光栅的参数(材料折射率、光栅形状、厚度、占空比等)可以将某一衍射级(即某一方向)的衍射效率优化到最高从而使大部分光在衍射后主要沿这一方向传播。用衍射光栅可以实现二维扩瞳digilens 和 WaveOptics 分别具有两种技术方案。Hololens I, Vuzix Blade, Magic Leap One, Digilens 等使用的方法是当入射光栅将光耦合入波导后会进入一个转折光栅的区域这个区域内的光栅沟壑方向与入射光栅呈一定角度那么它就像一个镜子一样将 X 方向打来的光反射一下变成沿 Y 方向传播。另外一种实现二维扩瞳的方式是直接使用二维光栅即光栅在至少两个方向上都有周期将单向“沟壑”变为柱状阵列。WaveOptics 就是采用的这种结构从入射光栅耦合进波导的光直接进入一个具有二维柱状阵列发区域可以同时将光线在 X 和 Y 两个方向实现扩束并且一边传播一边将一部分光耦合出来进入人眼。3) 布拉格光栅衍射光波导也叫全息光栅光波导。利用光全息术在记录材料薄膜上记录点光源的干涉条纹再经过处理制成光栅条纹结构的薄膜光学元件具有光束准直、聚焦、偏转等功能。其对光的衍射符合布拉格定律只有满足布拉格条件的入射光才会被衍射不满足布拉格条件的入射光不被衍射。目前在做全息体光栅(VHG)波导方案的厂家比较少包括十年前就为美国军工做 AR 头盔的 Digilens曾经出过单色 AR 眼镜的 Sony还有由于被苹果收购的 Akonia。SLAM理解环境与使用者实现虚拟信息和现实世界的结合。SLAMSimulataneous Localization and Mapping同步定位与地图构建指在运动过程中通过重复观测到的环境特征定位自身位置和姿态再根据自身位置构建周围环境的增量式地图从而达到同时定位和地图构建的目的。现代流行的 SLAM 系统大概可以分为前端和后端。前端通过传感器实现数据关联研究帧与帧之间变换关系主要完成实时的位姿跟踪对输入的图像进行处理计算姿态变化。后端主要对前端的输出结果进行优化得到最优的位姿估计和地图。SLAM 在 ARVR 中有较多应用AR 中主要是 1现实物体与虚拟物体的有效交互2实现语义理解优化智能辅助功能实现虚拟世界和现实世界之间坐标叠加、实现几何物理信息交互。与电脑、平板、手机的3D 显示不同AR 更注重虚拟信息与真实信息的无缝融合即图像出现的平面位置与景深准确、带来沉浸感的良好体验。这就需要利用 SLAM 算法准确叠加虚拟坐标系和真实坐标系。同时真实环境中有高低起伏、有障碍物、有遮挡关系AR 可以让虚拟信息跟这些真实环境中的物理信息进行交互。随着机器学习和深度学习的发展虚拟信息可以“理解”真实世界让二者的融合更趋于自然。当前计算机已经可以已经可以认出图片上的内容但没有理解内容之间的关系当前的一项研究方向是应用 SLAMAI 技术通过特征提取实现机器的语义理解优化 AR 系统的辅助功能。传感器交互方式与应用场景升级推动传感器升级。AR 中交互方式的升级带来更多样信息需求。随着人机交互由 2D 走向 3D交互方式逐渐多样化向人类本能发展手势交互、姿势交互、眼动交互、语音交互甚至结合生物信号、周围环境交互的方式不断进化这对更多种类的信息提出了要求用户运动类、生物类信息以及其他环境信息都将为人机交互提供底层支持。大量信息需求为运动类、生物类、环境类各型传感器提供增量机会。当前苹果手机、手表广泛运用多种运动、生物型传感器与之对比VR 爆款产品 Oculus quest 2 头显仅搭载了4 颗黑白摄像头手柄配备了两组陀螺仪加速度计传感器。未来为实现更深度沉浸和更便捷交互测距摄像头、眼动追踪摄像头、精细化压力传感器甚至生物型、环境型传感器都将逐渐配备。04.脑机接口离现实还有多远脑机接口Brain Computer InterfaceBCI1976 年由加州大学洛杉矶分校的雅克·维达尔(Jacques J. Vidal)提出。一个完整的脑机接口过程包括信号采集、信息解码处理、信号 输出/执行、反馈四个步骤实现。脑机接口可以通过电、磁、光、声进行信号采集与反馈而脑电技术是目前主流探索方向。事实上采集中枢神经信号以监测大脑活动的方法有很多种包括脑电、功能近红外光谱functional near-infrared spectroscopy, fNIRS、功能磁共振成像functional magneticresonance imaging, fMRI等反馈技术也同样包括电、磁、声、光多种。马斯克提出的一个经典论述是“人类不能被 AI 淘汰要与 AI 融合在大脑和电脑之间创建一个接口”。随着我们对脑科学的不断认识和脑机接口技术下对人类肢体限制的不断突破人脑的潜能或得到释放。在各种监测技术中脑电因为时间分辨率高、设备价格低廉且便携等优点逐渐成为脑机接口研究最主流的探索方向。脑机接口主要包括以下几种技术1) 脑电采集脑电采集是 BCI 的关键步骤采集的效果、信号强弱、稳定性及带宽大小直接决定后续的处理及输出。由于大脑的中枢神经元膜电位的变化会产生锋电位spikes或动作电位action potentials并且神经细胞突触间传递的离子移动会形成场电位field potentials通过在大脑皮质的运动神经位置外接或植入微型电极可以采集并放大这些神经生理信号。2) 信号解码处理信号处理是将转化为电信号的大脑活动去除干扰电波以及其他信号并将目标分类并处理转化为可以执行输出的对应信号。3) 信号输出及执行信号输出指将收集并处理后的脑电波信号传输至已连接的设备器材作为数据基础加工内容或反馈到终端机器以形成指令甚至实现直接交互。4) 反馈在信号执行后设备将产生动作或显示内容参与者将通过视觉、触觉或听觉感受到第一步产生的脑电波已被执行并触发反馈信号。根据脑电的采集方式当前的脑机接口又可以分为侵入式、非侵入式 。非侵入式是在人/动物大脑外部佩戴脑机接口设备通过采集脑电、神经电获取脑部信息但信息精度及分辨率较低可用于简单的信号判断与反馈但较难传达复杂指令如帮助肢体残障人士通过意念操控机械骨骼或用于 VR/AR游戏应用的基础手势控制。非侵入式根据收集信息的不同可以分为 EEG收集脑电和MEG收集磁场两种。1EEG通过导电凝胶将 Ag/AgCI 电极固定在头皮上以测量头皮脑电信号但一般只能监测到 0-50Hz 相对较窄频带中的信息。2MEG通过测量细胞内离子电流引起的小磁场获得信号但由于高昂的成本和操作方法的繁琐电磁封锁环境保持绝对静止MEG 并不是一个理想的解决方案。侵入式脑机接口主要应用于医疗康复领域。侵入式将设备直接植入到人/动物大脑灰质或颅腔内能够获取相对高频、准确的神经信号不仅能够通过读取脑电信号来控制外部设备还能够通过精确的电流刺激让大脑产生特定感觉。侵入式脑机接口可以分为 ECoG、LFP、SUA 等类型。1 ECoG测量大脑皮层电位与 EEG 技术相似但能够监测到更大带宽的信息2 LFP、SUA测量大脑皮层场电位与锋电位可以通过 Mircowire arrayMichigan arrayUtah arrayNeurotrophic electrode 等多种传感器实现。侵入式采取电信号的方法具有较高的空间分辨率、良好的信噪比和更宽的频带但目前仍然面临着有创带来的安全问题、难以获得长期稳定的记录、需要医护人员长时间连续的观察等问题目前应用仍局限于医疗康复领域。随着人们对大脑的认知、电极设计、和人工智能算法的精进脑机接口领域应用也持续拓展并向更加精细化发展。脑机接口相关的研发已经在仿生学、医疗诊断与干预、消费电子等多个领域进行持续探索相关产品可能将在未来 20-30 年内陆续商业化支撑起近千亿美元的市场规模。目前来看脑机接口在以下三个场景最有希望率先落地应用场景1医疗健康领域是脑机接口当前最接近商业化的领域。脑机接口可以帮助实时监控和测量神经系统状态辅助临床判读。“监测”型脑机接口应用方向十分多样包括评测陷入深度昏迷患者的意识等级测量视/听觉障碍患者神经通路状态协助医生定位病因等等。除此之外通过结合脑电、视频等多元信息进行诊监测到的脑电信息可以用于加工、反馈针对多动症、中风、抑郁症等做对应的恢复训练。例如对于运动皮层相关部位受损的中风病人脑机接口可以从受损的皮层区采集信号然后刺激失能肌肉或控制矫形器改善手臂运动运动想象类脑机接口可以用于孤独症儿童的康复训练提升他们对于感觉运动皮层激活程度的自我控制能力从而改善孤独症的症状也可以通过脑电信号的反馈训练使用者的专注力。疗能够辅助医生判读脑损伤、脑发育等多种临床适应症。基于电、声、光、磁刺激进行神经调控的脑机接口已经实现商业化。相关应用包括通过电刺激治疗进行神经康复主要针对脑卒中、 帕金森等中枢神经或周围神经损伤所致的运动功能障碍如偏瘫、肌萎缩、肌力低下、步行障碍、手功能障碍通过颅磁刺激治疗抑郁症以及对脑卒中所致的言语功能障碍、吞咽障碍、认知功能障碍进行治疗。国内外多家公司包括伟思医疗NeuroneticsBrainsway等公司已经推出相关产品。BrainCo 强脑科技在 2019 年推出世界上第一款可以意识控制每一根手指的非侵入式智能仿生手后在今年再次推出一款适合不同伤残等级的仿生腿产品。根据公司介绍这款产品每秒可提取 2 万个肌电神经电数据因此能快速、准确地识别用户意图并根据环境、肌肉情况调整步态防止摔倒实现高仿生体验还能够支持攀岩、涉水等多种复杂操作为残障人士创造高品质生活拓展了脑机接口技术在义肢方向的应用。应用场景2消费电子与 AIoT 领域展开消费端应用。脑机接口技术可以与消费产品相结合提供更直觉交互体验。早在 2014 年加难道公司Thalmic Labs 就推出了一款臂带式控制器 Myo通过感知肌肉的生物电活动可以让使用者只需要动动手指就可以无线控制身边的计算机和其他数字产品。随着技术的持续升级当前臂带式控制器可以实现通过识别活动意念带来的电流进行控制意念打字、意念操作玩具等已经不是幻想。在脑机接口的支持下游戏玩家可以用意念来控制 VR 界面的菜单导航和选项控制获得了独立于传统游戏控制方式之外的新的操作体验同时人们也可以用意念控制开关等甚至控制家庭服务机器人实现全新意义上的智能家居。渗透率或随 AR 及其他可穿戴产品普及持续提升。当前更加简单形式的控制比如眼动追踪摄像头、触摸控制等或限制脑机接口交互需求。我们认为未来随着一系列可穿戴设备比如 AR 眼镜的普及以及元宇宙的持续建设基于脑机接口技术的消费电子产品渗透率将持续提升。应用场景3实现大脑强化运用于国防军事领域 2020 年美国兰德公司发布了一份名为《脑机接口美国军事应用和意义的初步评估》Brain-Computer Interfaces: U.S. Military Applications and Implications的报告指出虽然存在一定风险“脑机接口”很可能在改进未来作战中提供相应的支持脑机接口在军事 领域用途包括保证更高效和保密的军事通信、提高决策速度与准确性允许操作员同时控 制多个平台等。进行更高效和更保密的军事通信。2019 年DARPA美国国防部高级研究计划局就选择了6个团队来开发N3神经技术研究计划旨在为美国军方提供高精度的双向脑机接口系统使服役人员能够与计算机系统进行通信。未来若脑机接口用于军事通信的技术获得成功将颠覆现有通信技术的运转模式。此前的通信解密都是在得到对方通信信号的基础上依据共同、公开的技术知识进行解密。理论上只要有足够的时间任何加密算法都可以被破译。而脑机接口通信可能在双方的主体意识尚未明确时就已经完成;所以不仅通信信号难以得到即使得到信号也缺乏解密所需的技术知识。脑机接口或用于处理大量数据来提高决策效率。未来作战中智能设备、士兵穿戴式传感器和无人机可向士兵提供大量的行动数据大量的信息融合将增加决策的复杂性。通过脑机接口能够使得机器与人之间连通性增强促进数据在作战人员和决策者之间快速而广泛地流动使得相互连接的军事系统能够顺利运行。同时人工智能工具可能融入决策流程帮助人类作战人员评估环境管理数据并最终消化更大容量的信息。▲全球主要脑机接口公司智东西认为人机交互是人类通往元宇宙的入口借助于自然用户界面AR/VR带来了远远高于图形化展示更自然的交互模式也是最有望实现元宇宙的第一个入口。但长远来看脑机接口才是元宇宙入口的真正形态而其中的非侵入式脑机接口在未来或许成为元宇宙入口的一张“王炸”。未来智能实验室的主要工作包括建立AI智能系统智商评测体系开展世界人工智能智商评测开展互联网城市大脑研究计划构建互联网城市大脑技术和企业图谱为提升企业行业与城市的智能水平服务。每日推荐范围未来科技发展趋势的学习型文章。目前线上平台已收藏上千篇精华前沿科技文章和报告。 如果您对实验室的研究感兴趣欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”
