1.1 全球各國(guó)腦計(jì)劃風(fēng)起云涌，美國(guó)技術(shù)暫時(shí)領(lǐng)先

理解大腦的結(jié)構(gòu)與功能是21世紀(jì)最具挑戰(zhàn)性的前沿科學(xué)問題，有著廣闊的應(yīng)用前景。近年來世界多國(guó)相繼提出基于腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和信息科學(xué)相結(jié)合的人類腦計(jì)劃，搶占全球科技競(jìng)爭(zhēng)戰(zhàn)略高地。

美國(guó)作為全球科技創(chuàng)新的領(lǐng)導(dǎo)者，對(duì)于腦科學(xué)研究較早且投入較大，在腦科學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域技術(shù)暫時(shí)領(lǐng)先。

圖片來源：蛋殼研究院

1.2 中國(guó)腦計(jì)劃底層布局完善，腦機(jī)融合列為研究重點(diǎn)

中國(guó)腦計(jì)劃以腦認(rèn)知的神經(jīng)基礎(chǔ)為主體，以腦疾病的診治及腦機(jī)智能技術(shù)為兩翼開展底層布局，從認(rèn)識(shí)腦、保護(hù)腦、模擬腦三個(gè)方面開展腦科學(xué)與類腦研究，形成“一體兩翼”的完善戰(zhàn)略布局。

國(guó)家“十四五”規(guī)劃部署五項(xiàng)研究重點(diǎn)領(lǐng)域，其中腦機(jī)融合納入重點(diǎn)技術(shù)研究范疇；2021年，我國(guó)正式啟動(dòng)了百億級(jí)的科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目“腦科學(xué)與類腦研究”，當(dāng)前中國(guó)腦計(jì)劃研究已進(jìn)入實(shí)際落地階段。

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1.3 行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模大，以非侵入式技術(shù)和醫(yī)療場(chǎng)景應(yīng)用為主

2020年全球腦機(jī)接口的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到14.6億美元，預(yù)計(jì)到2027年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)36億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率約為14%，行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模大，增速快，腦機(jī)接口行業(yè)未來具有很大發(fā)展空間。

2020年，非侵入式腦機(jī)接口占腦機(jī)接口市場(chǎng)規(guī)模的86%。目前，受到腦機(jī)接口技術(shù)和倫理、安全等因素的制約，無論是各國(guó)科研院所還是企業(yè)，研究重點(diǎn)都側(cè)重非侵入式腦機(jī)接口；當(dāng)前腦機(jī)接口技術(shù)主要應(yīng)用于醫(yī)療及健康保健場(chǎng)景，數(shù)據(jù)顯示2020年腦機(jī)接口在醫(yī)療領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模占比達(dá)62%。

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2.1 腦機(jī)接口技術(shù)功效多，當(dāng)前主要應(yīng)用于醫(yī)療健康領(lǐng)域

腦機(jī)接口技術(shù)的功效可以歸結(jié)為（監(jiān)測(cè)/替代/改善恢復(fù)/增強(qiáng)/補(bǔ)充），對(duì)應(yīng)的應(yīng)用方向主要有醫(yī)療健康、娛樂、智能家居、軍事和其他，其中醫(yī)療健康是當(dāng)前最主要且最接近商業(yè)化的領(lǐng)域。

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2.2 基于神經(jīng)調(diào)控的腦機(jī)接口聚焦疾病治療，已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化

神經(jīng)調(diào)控是腦機(jī)接口信號(hào)閉環(huán)中向大腦寫入信號(hào)的過程，通過不同類別信號(hào)的刺激，可以改善和治療一些神經(jīng)系統(tǒng)的疾病狀態(tài)。當(dāng)前，基于電、聲、光、磁刺激神經(jīng)調(diào)控的腦機(jī)接口已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，從人工耳蝸，到腦深部電刺激再到經(jīng)顱磁刺激和近紅外功能成像，未來可以期待擴(kuò)展到其他疾病的改善或治療。

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2.3 技術(shù)改變傳統(tǒng)康復(fù)手段，可幫助神經(jīng)受損患者實(shí)現(xiàn)主動(dòng)康復(fù)

腦機(jī)接口技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)患者腦電狀態(tài)，通過訓(xùn)練調(diào)控大腦信號(hào)，影響皮質(zhì)活動(dòng)，從而使患者鍛煉大腦神經(jīng)，提高其功能性和連接性，實(shí)現(xiàn)了患者“意念控制”下的主被動(dòng)協(xié)同康復(fù)訓(xùn)練。打破了傳統(tǒng)康復(fù)方式被動(dòng)且單一的問題，實(shí)現(xiàn)患者意念控制下的主動(dòng)康復(fù)，顯著提升康復(fù)治療效果。

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2.4 不同功能的可穿戴產(chǎn)品，已實(shí)現(xiàn)部分消費(fèi)類場(chǎng)景的應(yīng)用

當(dāng)前，針對(duì)非侵入式腦機(jī)接口技術(shù)已經(jīng)開發(fā)出各種可穿戴設(shè)備，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)用戶的腦電狀態(tài)。基于不同的用戶需求，已經(jīng)可以幫助進(jìn)行日常解壓、小孩專注力提升及睡眠障礙人群進(jìn)行改善，在一些場(chǎng)景已經(jīng)實(shí)現(xiàn)消費(fèi)端的應(yīng)用，未來可期待擴(kuò)展到更多的健康消費(fèi)場(chǎng)景。

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2.5 實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制，改善肢體運(yùn)動(dòng)障礙患者生活質(zhì)量

非侵入式腦機(jī)接口的智能義肢：通過人工智能算法處理神經(jīng)-肌肉信號(hào)并結(jié)合內(nèi)置傳感器識(shí)別用戶意圖，實(shí)現(xiàn)“心隨手動(dòng)”及走路跑步隨意切換的狀態(tài)，可為殘障人士創(chuàng)造高品質(zhì)生活。

集成式顱頂半植入BCI產(chǎn)品+高頻腦電信號(hào)處理儀：產(chǎn)品面向明確的適應(yīng)癥如漸凍癥，高位截癱等，腦虎科技將按照醫(yī)療產(chǎn)品的合規(guī)和流程逐步推進(jìn)臨床計(jì)劃，未來可期待改善這些絕癥患者生活質(zhì)量。

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3.1 侵入式：新一代腦機(jī)接口植入體技術(shù)正逐步走向成熟

過去的10-20年間，由于相關(guān)技術(shù)的躍遷帶來的價(jià)值正在快速推動(dòng)新?代腦機(jī)接?技術(shù)的落地。從人工耳蝸到DBS再到RNS，國(guó)內(nèi)植入體技術(shù)正在逐步成熟。

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3.2 長(zhǎng)期穩(wěn)定的記錄大規(guī)模信號(hào)是侵入式技術(shù)的核心挑戰(zhàn)

如何在最低限度損傷大腦和最大限度利用大腦之間達(dá)到平衡，是腦機(jī)接口技術(shù)的核心挑戰(zhàn)。如何解決植入電極后信號(hào)衰減、如何最大限度避免芯片植入對(duì)大腦的損傷、如何采集更多的神經(jīng)元信號(hào)是侵入式腦機(jī)接口技術(shù)目前面臨的三大核心技術(shù)瓶頸。

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3.3 新材料、新植入方式和新制造技術(shù)可解決當(dāng)前技術(shù)困境

當(dāng)前侵入式腦機(jī)接口技術(shù)面臨電極在體工作壽命短、植入創(chuàng)傷大、信息采集帶寬不足三大技術(shù)困境，針對(duì)侵入式腦機(jī)接口當(dāng)前存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，研發(fā)三大關(guān)鍵技術(shù)可以有效解決。

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3.4 非侵入式：無創(chuàng)腦機(jī)電極需兼顧電特性/舒適性/便捷性

無創(chuàng)腦電采集電極挑戰(zhàn)：傳統(tǒng)的無創(chuàng)腦電采集系統(tǒng)是采用濕電極，其電特性良好，但是使用不方便；梳狀干電極使用方便，但界面阻抗較高，使用時(shí)有輕微的痛感，舒適性較差；半干電極可保持濕性接觸，舒適性和電特性適中，當(dāng)下自潤(rùn)濕、新型凝膠等半干電極是研究熱點(diǎn)。

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3.5 腦電信號(hào)的傳輸率決定了腦機(jī)接口系統(tǒng)的性能

腦機(jī)接口采用的范式主要有P300（事件相關(guān)點(diǎn)位）、SSVEP（穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位）和MI（運(yùn)動(dòng)想象），實(shí)驗(yàn)范式是獲得腦機(jī)接口特征的一些技術(shù)手段，最具挑戰(zhàn)性的環(huán)節(jié)是信息的解碼。腦電信號(hào)的編解碼是系統(tǒng)穩(wěn)定的核心，其中信息傳輸率是衡量腦機(jī)接口系統(tǒng)的一個(gè)黃金標(biāo)準(zhǔn)，通過增加腦機(jī)接口目標(biāo)的數(shù)量、提高分類的正確率以及縮短目標(biāo)識(shí)別時(shí)間，可以提高系統(tǒng)的信息傳輸率，同時(shí)也提高了腦機(jī)接口系統(tǒng)的性能。

3.6 設(shè)計(jì)訓(xùn)練方式識(shí)別微弱信號(hào)，提升腦機(jī)操控交互的自然性

關(guān)鍵技術(shù)-精辨識(shí)：基于事件相關(guān)電位，針對(duì)難以識(shí)別的微弱信號(hào)，通過發(fā)現(xiàn)背景腦電空間對(duì)稱性演進(jìn)模式，可以對(duì)背景腦電噪聲增大抑制效果提升，可以實(shí)現(xiàn)亞uV級(jí)極微弱腦電信號(hào)（約0.5uV)的解碼和應(yīng)用，提升腦機(jī)操控交互的自然性。

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4.1 信息交互手段從原來的以電為主，轉(zhuǎn)為多模態(tài)聯(lián)合應(yīng)用

在腦機(jī)接口應(yīng)用領(lǐng)域，由于腦電信號(hào)本身的空間分辨率較差，時(shí)間分辨率較好的特點(diǎn)，腦機(jī)信息交互手段預(yù)計(jì)將從原來的以電為主，走向電、光、磁、聲等各種手段的綜合，通過不同交互手段的聯(lián)用，提升了腦機(jī)接口技術(shù)應(yīng)用的效果。

4.5 柔性腦機(jī)接口，是未來腦機(jī)技術(shù)的重點(diǎn)發(fā)展方向

隨著人機(jī)交互技術(shù)的不斷前行，特別是混合現(xiàn)實(shí)、元宇宙等新技術(shù)場(chǎng)景需求的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)用于信息獲取感知單元的剛性接口硬件已經(jīng)難以滿足需求。與之相比，柔性腦機(jī)接口使用材料與人體組織之間更加緊密地融合，能夠快速交換神經(jīng)信息、運(yùn)動(dòng)信息和環(huán)境信息等，是未來重點(diǎn)發(fā)展的技術(shù)方向。

4.6 未來將從經(jīng)典腦機(jī)接口到腦機(jī)交互再到腦機(jī)智能的技術(shù)演變

在腦機(jī)接口技術(shù)領(lǐng)域，未來腦機(jī)接口的發(fā)展按照信息傳輸方向分類，將從經(jīng)典的腦機(jī)接口逐漸演變?yōu)槟X機(jī)交互最后到腦機(jī)智能的模式。

資料來源 ：蛋殼研究院