触觉编码脑机接口：清华大学/帝国理工提出多机械臂并行脑控新范式

你是否曾幻想过人可以像章鱼一样，在不放下手中物品的同时，用第三只、第四只手同时完成其他任务？人在日常活动中高度依赖双手协作，而当任务需要第三只手、第四只手同时参与时，现有运动能力会受到身体自由度的限制。如何让人在保持自然双手运动控制任务的同时控制额外机械臂，从而实现人可控自由度的扩展和运动控制能力的增强，是实现脑机智能及人机共融的重要挑战。

近日，清华大学团队联合英国帝国理工学院，提出了一种触觉编码脑机接口，让使用者在不影响自身肢体自然控制任务的同时仅凭对触觉输入的“注意力”就能额外操控多机械臂，这为非侵入式人体运动增强神经接口提供了新的技术路径。

上述研究成果以“Concurrent control of natural and robotic limbs through a tactile-encoded brain-computer interface”为题，在线发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

图1.研究论文发表于《自然·通讯》

本研究采用触觉诱发P300范式，将触觉振动器固定在脑机接口使用者双侧上肢，与布置在使用者左右两侧的机械臂相对应，每个振子对应一个脑机接口控制指令，振子按随机顺序呈现短时触觉刺激，使用者按需关注目标振动刺激后，对应诱发的P300电位被识别，触发相应机械臂执行对应的功能性动作。触觉刺激编码可避免对其他肢体运动能力和视觉等资源的占用，实现运动增强而非其他身体部位功能的转移。

图2.人自然运动与触觉编码脑机接口并行控制机械臂实验系统示意图

为验证该方法在运动增强场景中的可行性，研究团队招募了健康受试者完成了三天的重复控制实验，包含了用于评估双手自然运动控制表现的小球平衡任务、用于评估触觉编码脑机接口控制表现的单任务在线测试、以及将脑机接口识别与小球平衡任务同步进行的双任务在线测试。

实验结果显示，相较于单任务而言，在双手运动和脑机接口并行控制时，P300幅值和脑机接口控制表现有一定程度的下降，但经过三天重复训练后，受试者的双任务控制表现显著提升，双任务并行下的脑机接口控制表现逐步趋近单脑机接口控制表现，指示了人对于触觉编码脑机接口控制的学习效应。

图3.单任务与双任务条件下触觉诱发P300信号特征

图4.触觉编码脑机接口在线控制表现

本研究进一步分析了并行使用脑机接口时自然双手运动任务表现是否受到影响。实验结果显示，在不同条件下受试者双手控制表现稳定，在并行控制触觉编码脑机接口时未显著影响自然双手运动控制表现。研究团队进一步将触觉编码脑机接口用于多机械臂的功能性测试任务场景中，包括次序抓取小球、辅助使用者喝水、双机械臂循环传递物体以及在二维工作平面内的方向控制等任务。

图5.并行使用脑机接口时双手小球平衡任务表现未见显著下降

本研究利用触觉编码范式建立额外运动控制指令，使可控制自由度随触觉刺激位点的增加而扩展，触觉编码脑机接口有望服务于人体运动增强、人机协作、康复辅助和复杂操作任务。

英国帝国理工学院Dario Farina教授、清华大学生物医学工程学院李翀副教授、贾天宇博士和杨兴晨博士为论文通讯作者；贾天宇、杨兴晨、Ciaran McGeady、李屹峰为论文共同第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75213-3

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来源 |清华大学团队

运营 | 罗卜

审核|@脑机学苑

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