近日，在奧地利林茨舉行的Ars Electronica藝術(shù)節(jié)上，一件吸引眼球的禮服亮相，這件禮服既包含了藝術(shù)特征，也囊括了尖端科技。該禮服展示了一個(gè)超低能量、高分辨率的腦-機(jī)接口，非常靈敏，如果穿著者考慮移動(dòng)一根手指，它就可以識(shí)別出是哪根手指 -- 且不需要植入。

這條裙子是約翰尼斯開普勒大學(xué)（JKU）的研究人員、醫(yī)學(xué)工程公司G.tec的開發(fā)人員和時(shí)尚技術(shù)設(shè)計(jì)師Anouk Wipprecht合作的結(jié)果。該款裙子被稱為Pangolin dress，它有1024個(gè)頭戴式電極，分為64組，每組16個(gè)。這些裝置可以用來檢測(cè)來自大腦的電子信號(hào)。來自這些傳感器的數(shù)據(jù)被組合、分析，并轉(zhuǎn)換成32個(gè)Neopixel LED和32個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)秤顯示的顏色，從而創(chuàng)建了神經(jīng)活動(dòng)的全身可視化。

據(jù)悉，最大的技術(shù)進(jìn)步是最新的定制芯片連接到每個(gè)電極。這種單通道芯片的邊長(zhǎng)為1.6毫米，集成了一個(gè)放大器、一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器，它的功耗小于5微瓦。因?yàn)樗碾姾苌伲孕酒梢杂筛浇幕疽苑墙佑|式射頻識(shí)別（RFID）芯片的方式供電，并以無線方式返回?cái)?shù)據(jù)（盡管對(duì)于Pangolin dress來說，有線數(shù)據(jù)連接被用來讓創(chuàng)造者專注于開發(fā)和調(diào)試其他系統(tǒng)元素，而COVID-19限制了訪問）。通過無線方式給芯片供電和與芯片進(jìn)行通信，將不再需要將穿著者綁在有線系統(tǒng)中的測(cè)試系統(tǒng)上，甚至可以消除傳統(tǒng)無線BCI系統(tǒng)中電池的體積和重量。JKU集成電路研究所教授Harald Pretl說，最大的挑戰(zhàn)是“傳感器電子設(shè)備的功率預(yù)算”：“我們必須設(shè)計(jì)出一種專用于此的放大器設(shè)計(jì)，一種專用于此的ADC，以及基于超寬帶的我們自己的傳輸協(xié)議?！绷硪粋€(gè)挑戰(zhàn)是如何處理“頭部周圍的褪色和陰影效應(yīng)，”Pretl補(bǔ)充道。

研究人員表示：“我們嘗試不使用昂貴的技術(shù)，正在使用的是180納米（制造）技術(shù)，但我們能夠通過使用一些先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)技巧來獲得更高的性能。”JKU的Thomas Fasseth解釋道，他是Pangolin dress項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。

對(duì)于Pangolin dress，每一組電極和芯片都安裝在一塊六邊形的tile上，在這個(gè)例子中，佩戴者的頭部是奧地利的Megi Gin的頭部（下圖），她成為測(cè)試參與者的程度與模特一樣多，每一塊都有一個(gè)定制的芯片和天線。

下一步的開發(fā)是由奧地利商業(yè)BCI開發(fā)商和制造商G.tec提供的。G.tec利用其分析神經(jīng)信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)，整合和解釋來自tile的數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)你決定主動(dòng)移動(dòng)一塊肌肉時(shí)，它會(huì)在你的運(yùn)動(dòng)皮層產(chǎn)生一個(gè)可以被檢測(cè)和識(shí)別的局部活動(dòng)模式，“通過1024個(gè)獨(dú)立通道，你可以獲得單指分辨率。G.tec聯(lián)合創(chuàng)始人Christoph Guger說：“這是表面電極無法做到的，需要植入物。Guger說，通常情況下，表面電極系統(tǒng)有64個(gè)通道，這僅足以區(qū)分運(yùn)動(dòng)是針對(duì)右臂還是針對(duì)左臂。”

由于大腦各不相同，識(shí)別這些細(xì)微的細(xì)節(jié)需要根據(jù)佩戴者的個(gè)體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)來識(shí)別與不同運(yùn)動(dòng)相關(guān)的模式。然而，這個(gè)系統(tǒng)實(shí)際上并不需要你能夠移動(dòng)任何給定的肌肉事實(shí)上，當(dāng)參與者只是想象一個(gè)動(dòng)作時(shí)，它更容易學(xué)習(xí)，因?yàn)橄胂笠粋€(gè)動(dòng)作通常比執(zhí)行它需要更長(zhǎng)的時(shí)間，產(chǎn)生更持久的信號(hào)。這意味著四肢癱瘓或缺失的患者可以利用這項(xiàng)技術(shù)，而Guger甚至推測(cè)可能存在BCI控制的外骨骼。

Pangolin dress決定了穿著者是否處于一系列心理狀態(tài)之一，包括壓力、中立和冥想，并通過運(yùn)動(dòng)和光來表達(dá)這一點(diǎn)。這件禮服是由設(shè)計(jì)師Wipprecht設(shè)計(jì)的，她之前曾為IEEE Spectrum寫過她與G.tec合作設(shè)計(jì)獨(dú)角獸耳機(jī)的故事（原文：https://spectrum.ieee.org/geek-life/hands-on/i-built-a-brain-computer-interface-for-tackling-adhd-in-children），旨在幫助治療師為ADHD兒童調(diào)整程序。

Photo: Yanni de MeloThe full length dress—this photo was taken in Florida, so it does not include the full set of head-mounted sensors

禮服結(jié)合了剛性和織物元素，剛性元素采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)在9個(gè)互鎖部分進(jìn)行3D打印。Wipprecht說，傳感器的模塊化特性激發(fā)了人們從靈活的pangolin有光澤的角蛋白鱗片中獲取靈感的想法。對(duì)于Wiprecht來說，部分挑戰(zhàn)在于大腦信號(hào)的變化速度遠(yuǎn)快于伺服機(jī)構(gòu)改變角度的速度，因此她決定將重點(diǎn)放在反映變化頻率上：即當(dāng)?shù)皖l腦電波占主導(dǎo)地位時(shí)，伺服裝置和燈光的移動(dòng)和脈搏緩慢。

據(jù)悉，Wiprecht如此表示：

“since we have a lot of data points through all the 1,024 channels in the dress, my interactions can become even more spot-on … A hectic state is reflected in quick jittery movements and white lights, a neutral state is reflected in neutral movements and blue lights, and a meditative state is where the dress will turn purple with smooth, flowing movements” （忙碌的狀態(tài)反映在快速的緊張的動(dòng)作和白色的燈光，中立的狀態(tài)反映在中立的運(yùn)動(dòng)和藍(lán)光，而冥想狀態(tài)是指衣服隨著流暢的動(dòng)作而變成紫色）

Pangolin的合作始于去年年底，盡管Covid-19限制條件復(fù)雜，但其仍在繼續(xù)。雖然JKU和G.tec的團(tuán)隊(duì)位于奧地利，但Wiprecht位于受災(zāi)嚴(yán)重的佛羅里達(dá)州。對(duì)于奧地利團(tuán)隊(duì)來說，這意味著他們的實(shí)驗(yàn)室受到嚴(yán)格的限制，但是他們能夠在Wiprecht設(shè)計(jì)服裝時(shí)向她發(fā)送四個(gè)傳感器模塊。這件完成的禮服上個(gè)月才抵達(dá)奧地利進(jìn)行最后測(cè)試。

Pangolin小組希望能創(chuàng)造出另一種新的裙子，這次是在完全無線模式下使用傳感器。關(guān)于傳感器技術(shù)商業(yè)化的討論仍在進(jìn)行中，但Guger預(yù)計(jì)，在大約兩年內(nèi)，它可能成為其他研究人員現(xiàn)成的選擇。