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文 | vb動脈網
腦機接口技術被稱作是人腦與外界溝通交流的“信息高速公路”，是公認的新一代人機交互和人機混合智能的關鍵核心技術，甚至被美國商務部列為出口管制技術。腦機接口技術為恢復感覺和運動功能以及治療神經疾病提供了希望，同時還將賦予人類“超能力”——用意念即可控制各種智能終端。通過對人類大腦進行“升級”，還會使我們在擁有人類水平或更高智能的AI面前更具競爭力。我國在腦機接口技術方面也已實現了關鍵性突破，未來將引領我國腦科學和類腦智能研究實現“變道超車”。
基于此，蛋殼研究院撰寫了《2022年腦機接口行業研究報告》，并在報告中著重回答以下幾個問題：
1、腦機接口行業當前發展的現狀如何？
2、腦機接口已經實現那些場景的應用？可期待的應用是什么？
3、當前腦機接口技術面臨的挑戰是什么？技術突破的進展如何？
為了弄清上述問題，蛋殼研究院在產業內進行了廣泛的調研，并結合自己的研究內容，試圖從行業概述、應用場景、技術挑戰、未來趨勢研判等維度全面解析腦機接口行業，以期為行業關注者及參與者提供有價值的行業信息。
各方關注，行業未來發展可期
1.1 全球各國腦計劃風起云涌，美國技術暫時領先
理解大腦的結構與功能是21世紀最具挑戰性的前沿科學問題，有著廣闊的應用前景。近年來世界多國相繼提出基于腦科學、神經科學和信息科學相結合的人類腦計劃，搶占全球科技競爭戰略高地。
美國作為全球科技創新的領導者，對于腦科學研究較早且投入較大，在腦科學基礎研究領域技術暫時領先。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
1.2 中國腦計劃底層布局完善，腦機融合列為研究重點
中國腦計劃以腦認知的神經基礎為主體，以腦疾病的診治及腦機智能技術為兩翼開展底層布局，從認識腦、保護腦、模擬腦三個方面開展腦科學與類腦研究，形成“一體兩翼”的完善戰略布局。
國家“十四五”規劃部署五項研究重點領域，其中腦機融合納入重點技術研究范疇；2021年，我國正式啟動了百億級的科技創新2030重大項目“腦科學與類腦研究”，當前中國腦計劃研究已進入實際落地階段。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
1.3 腦機接口：生物技術和信息技術融合的下一個主戰場
2018年11月19日，美國商務部工業和安全局”針對關鍵技術和相關產品的出口管制方案”中，羅列了14類“新興和基礎技術”進行出口管制，其中腦機接口技術位列第11位。
2021年10月26日，美國商務部工業和安全局發布預通知將腦機接口定為對美國國家安全至關重要的潛在新興和基礎技術，需對其適當的出口、再出口和轉讓（國內）管制。
1.4 腦機接口技術發展當前正處于應用試驗階段
腦機接口技術的發展可以劃分學術探索階段、科學論證階段和應用實驗階段。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
1.5 行業市場規模大，以非侵入式技術和醫療場景應用為主
2020年全球腦機接口的市場規模達到14.6億美元，預計到2027年市場規模達36億美元，年復合增長率約為14%，行業市場規模大，增速快，腦機接口行業未來具有很大發展空間。
2020年，非侵入式腦機接口占腦機接口市場規模的86%。目前，受到腦機接口技術和倫理、安全等因素的制約，無論是各國科研院所還是企業，研究重點都側重非侵入式腦機接口；當前腦機接口技術主要應用于醫療及健康保健場景，數據顯示2020年腦機接口在醫療領域的市場規模占比達62%。
資料來源：公開信息，頭豹，蛋殼研究院
1.6 國內行業融資事件數迎來爆發，企業多處于融資早期階段
腦機接口行業融資事件爆發，資本加速布局。馬斯克的Neuralink公司致力于腦機接口技術的研究，近年來發布多項研究成果引發社會廣泛關注，使得腦機接口從實驗室被推向了公眾視野，成為當下投資熱點。2021年是國內融資事件近年來最高達18起，2022年上半年仍有9起融資事件，表明投資機構正加速對腦機行業的投資布局。
融資早期輪次的企業占比81%，產業孕育發展中。從國內腦機接口企業融資事件輪次分布看，A輪及以前占比高達81%，企業多處于融資早期階段，說明整個BCI行業尚處起步期，行業成熟度及商業化程度較低，未來發展潛力大。
資料來源：動脈橙數據庫，蛋殼研究院
1.7 侵入式技術壁壘較高，國內布局非侵入式技術企業占比大
侵入式技術壁壘較高：侵入式技術通常需要進行開顱手術，將電極植入到大腦皮層采集腦電信號，但也極易引發人體的排異反應；非侵入式設備只需要用電極連接頭皮來獲取信號，對人體傷害較小，技術難度較低。
國內布局非侵入式技術企業占比大：2015-2022H1年國內腦機接口行業獲得融資的企業共37家，其中僅4家企業布局侵入式技術且獲得融資，89%企業均采用非侵入技術切入腦機接口賽道。
資料來源：公開信息，動脈橙數據庫，蛋殼研究院
技術實現患者疾病治療和健康改善2.1 腦機接口技術功效多，當前主要應用于醫療健康領域
腦機接口技術的功效可以歸結為（監測/替代/改善恢復/增強/補充），對應的應用方向主要有醫療健康、娛樂、智能家居、軍事和其他，其中醫療健康是當前最主要且最接近商業化的領域。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
● 監測：使用腦機接口系統監測部分人體意識狀態
● 替代：系統的輸出可以取代由于損傷或疾病而喪失的自然輸出
● 改善/恢復：針對康復領域，改善某種疾病的癥狀或恢復某種功能
● 增強：主要是針對健康人而言，實現機能的提升和擴展
● 補充：主要針對控制領域，增加腦控方式，作為傳統單一控制方法的補充，實現多模態控制
2.2 基于神經調控的腦機接口聚焦疾病治療，已實現商業化
神經調控是腦機接口信號閉環中向大腦寫入信號的過程，通過不同類別信號的刺激，可以改善和治療一些神經系統的疾病狀態。當前，基于電、聲、光、磁刺激神經調控的腦機接口已經實現商業化，從人工耳蝸，到腦深部電刺激再到經顱磁刺激和近紅外功能成像，未來可以期待擴展到其他疾病的改善或治療。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
2.3 技術改變傳統康復手段，可幫助神經受損患者實現主動康復
腦機接口技術能夠實時檢測患者腦電狀態，通過訓練調控大腦信號，影響皮質活動，從而使患者鍛煉大腦神經，提高其功能性和連接性，實現了患者“意念控制”下的主被動協同康復訓練。打破了傳統康復方式被動且單一的問題，實現患者意念控制下的主動康復，顯著提升康復治療效果。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
2.4 不同功能的可穿戴產品，已實現部分消費類場景的應用
當前，針對非侵入式腦機接口技術已經開發出各種可穿戴設備，可以實時的監測用戶的腦電狀態?；诓煌挠脩粜枨?，已經可以幫助進行日常解壓、小孩專注力提升及睡眠障礙人群進行改善，在一些場景已經實現消費端的應用，未來可期待擴展到更多的健康消費場景。
2.5 實現對外部設備的控制，改善肢體運動障礙患者生活質量
非侵入式腦機接口的智能義肢：通過人工智能算法處理神經-肌肉信號并結合內置傳感器識別用戶意圖，實現“心隨手動”及走路跑步隨意切換的狀態，可為殘障人士創造高品質生活。
集成式顱頂半植入BCI產品+高頻腦電信號處理儀：產品面向明確的適應癥如漸凍癥，高位截癱等，腦虎科技將按照醫療產品的合規和流程逐步推進臨床計劃，未來可期待改善這些絕癥患者生活質量。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
關注腦機接口兩大技術路徑3.1 侵入式：新一代腦機接口植入體技術正逐步走向成熟
過去的10-20年間，由于相關技術的躍遷帶來的價值正在快速推動新?代腦機接?技術的落地。從人工耳蝸到DBS再到RNS，國內植入體技術正在逐步成熟。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
3.2 長期穩定的記錄大規模信號是侵入式技術的核心挑戰
如何在最低限度損傷大腦和最大限度利用大腦之間達到平衡，是腦機接口技術的核心挑戰。如何解決植入電極后信號衰減、如何最大限度避免芯片植入對大腦的損傷、如何采集更多的神經元信號是侵入式腦機接口技術目前面臨的三大核心技術瓶頸。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
3.3 新材料、新植入方式和新制造技術可解決當前技術困境
當前侵入式腦機接口技術面臨電極在體工作壽命短、植入創傷大、信息采集帶寬不足三大技術困境，針對侵入式腦機接口當前存在的技術挑戰，研發三大關鍵技術可以有效解決。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
3.4 非侵入式：無創腦機電極需兼顧電特性/舒適性/便捷性
無創腦電采集電極挑戰：傳統的無創腦電采集系統是采用濕電極，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，當下自潤濕、新型凝膠等半干電極是研究熱點。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
3.5 腦電信號的傳輸率決定了腦機接口系統的性能
腦機接口采用的范式主要有P300（事件相關點位）、SSVEP（穩態視覺誘發電位）和MI（運動想象），實驗范式是獲得腦機接口特征的一些技術手段，最具挑戰性的環節是信息的解碼。腦電信號的編解碼是系統穩定的核心，其中信息傳輸率是衡量腦機接口系統的一個黃金標準，通過增加腦機接口目標的數量、提高分類的正確率以及縮短目標識別時間，可以提高系統的信息傳輸率，同時也提高了腦機接口系統的性能。
3.6 設計訓練方式識別微弱信號，提升腦機操控交互的自然性
關鍵技術-精辨識：基于事件相關電位，針對難以識別的微弱信號，通過發現背景腦電空間對稱性演進模式，可以對背景腦電噪聲增大抑制效果提升，可以實現亞uV級極微弱腦電信號（約0.5uV)的解碼和應用，提升腦機操控交互的自然性。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
淺談腦機接口未來的發展趨勢4.1 信息交互手段從原來的以電為主，轉為多模態聯合應用
在腦機接口應用領域，由于腦電信號本身的空間分辨率較差，時間分辨率較好的特點，腦機信息交互手段預計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用，提升了腦機接口技術應用的效果。
● 近紅外腦功能成像技術測量大腦皮層的血氧情況，厘米級的空間分辨率優于腦電，可以準確定位產生腦部活動的腦區。腦電的時間分辨率與近紅外腦功能成像的空間分辨率兩者結合互補，這樣就可以更全面的提供腦功能活動的信息。fNIRS＋EEG聯用，對腦科學研究提供了很好的技術手段和很大的幫助。
● 運動想象、腦機接口（MI-BCI）和功能性電刺激FES相結合的MI-BCI-FES康復訓練已成為中風治療的熱門方法，有關研究表明，MI-BCI-FES相比傳統單一FES對中風康復治療更為有效。此外，有關試驗表明使用腦電（EEG)及近紅外（fNIS)同步監測腦功能變化的方法，更加全面的用于評價腦部功能的變化。
4.2 腦機接口技術可成為大數據與算法驅動的智能數字療法
在腦機接口應用領域，腦機接口技術可實現個性化、精準化、情感化腦功能健康狀態監測與干預的大規模人群普惠應用，成為大數據與算法驅動的智能數字療法。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
4.3 意念控制等下一代人機交互場景，可期待變成現實
當前腦機接口技術的發展已經可以通過解析大腦里的想法來幫助患者“打字”交流。在PC時代，我們通過鍵盤和鼠標進行人機交互，每次人機交互的變革都是從以機器為中心，逐漸邁向以人為中心的自然交互，未來可以期待實現腦控鍵盤和鼠標等下一代人機交互的場景。
4.4 微創式腦機接口技術，為患者生活改善打開一扇新窗口
在腦機接口技術領域，由于侵入式腦機接口容易對大腦造成不可逆的損傷，非侵入式獲取的腦電信號不佳等現實情況，微創式的腦機接口技術有望為后續的技術發展帶來更多可能。
● 清華醫學院團隊提出了微創植入的腦機接口方案，體內機嵌入在顱骨中采集和處理腦電信號，電極可以伸展到顱內任何腦區；體內機無需電池，隔著皮膚與體外機耦合供電并無線通訊，實現腦電信號讀取和刺激信號寫入的雙向腦機接口通訊。該方案全無線傳輸，避免感染，不破壞腦內環境，在信號質量和侵入性之間達到很好的平衡。該團隊與博?？悼萍己献餮邪l的無線微創腦機接口設備已經定型送檢，預計2022年底開展小規模臨床試驗。
● Synchron開發的Strentrode BCI設置小巧靈活，可以安全地穿過彎曲的血管，因此Synchron直接利用神經血管平臺，即通過頸靜脈植入BCI，使用導管手術將技術輸送到大腦和脊柱中，不需要開顱手術就將設備植入了患者大腦內。2021 年 8 月，Synchron 公司開發的微創腦機接口獲得美國食品藥品監督管理局(FDA)的人體臨床試驗批，2022年7月，該公司首次在美國一名ALS(肌萎縮性側索硬化癥)患者的腦部血管進行臨床試驗。
4.5 柔性腦機接口，是未來腦機技術的重點發展方向
隨著人機交互技術的不斷前行，特別是混合現實、元宇宙等新技術場景需求的不斷涌現，傳統用于信息獲取感知單元的剛性接口硬件已經難以滿足需求。與之相比，柔性腦機接口使用材料與人體組織之間更加緊密地融合，能夠快速交換神經信息、運動信息和環境信息等，是未來重點發展的技術方向。
● 以蠶絲蛋白為主體的柔性電極，在生物相容性、機械強度上要比化工或化學合成材料制成的電極有優勢，不會對大腦產生切割傷害，可以穩定記錄腦電信號。在2021年的世界人工智能大會上，腦虎科技憑借由蠶絲蛋白制成的“免開顱微創植入式高通量柔性腦機接口系統”獲得了最高獎“卓越人工智能引領獎”，同時也上榜了2022年MIT“50 家聰明的公司”（TR50）榜單。
● 西南交通大學材料科學與工程學院魯雄團隊制備了一種具有免疫規避能力的腦級柔軟、導電和生物粘附性水凝膠集成BMI，能夠與柔軟、活躍的腦組織建立無縫接口，獲得高保真度的穩定生物信號。與傳統電極相比，超軟水凝膠電極記錄的腦電信號幾乎沒有偽影出現，顯示出較好的穩定性和準確性。
4.6 未來將從經典腦機接口到腦機交互再到腦機智能的技術演變
在腦機接口技術領域，未來腦機接口的發展按照信息傳輸方向分類，將從經典的腦機接口逐漸演變為腦機交互最后到腦機智能的模式。
資料來源：公開信息，蛋殼研究院
