巴西世界盃揭幕戰開球殘疾人的「腦控外骨骼技術裝置」是何原理？

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背景新聞：癱瘓少女將在腦控技術外骨骼的幫助下為世界盃開球

已經有幾個答案了，都講得八九不離十吧，因為說白了就是腦電控制機器么。我僅我了解的部分來說一說。我本人只做過人形機器人以及計算神經學，其實細分的話都不太搭邊，不過略懂一二。

這是兩個成熟的技術組合起來的。第一就是外骨骼，屬於機器人學範疇。第二就是腦損傷以及中風患者的康復，應該是屬於神經學範疇。

外骨骼是為了增強人的力量，早期的目的是給老人或者軍人使用，控制的方式就是感應肢體的運動趨勢並增強，印象中日本和美國（UCB）都有非常不錯的實驗室產品。

而腦損傷及中風康復，應該是也包括脊柱神經受損恢復（rehabilitation），這是臨床的一個比較大的分支吧。行為正常的人從腦部發出命令，在脊柱中傳輸命令，以及肢體的反饋，都是準確無誤的。（傳統的康復辦法也是病人按照醫生的指令控制肢體，但是醫生會幫助他們運動？這樣好像有助於神經的自修復，有學醫的朋友么能指正一下？最早用這個EEG本來應該是幫助檢測病人的恢復情況的，把病人的EEG信號和正常人的去比較？）癱瘓的人，一般是在傳輸命令中出了問題。那麼需要病人佩戴頭盔，上面布滿電極採集EEG信號。於是病人按照醫生的指示做規定的動作，這時候會有一個預設好規定動作軌跡的機械裝置幫助病人運動肢體，同時在腦部檢測EEG信號。經過大量的實驗數據，經過信號檢測，模式識別，就可以提取出病人在做一些簡單動作時的EEG信號。這個信號就可以和之前預設的運動聯繫起來。那麼就可以作為外骨骼的輸入信號了。

我估計，這種裝置應該是需要對每個病人都進行長時間的採樣以及訓練的。因為每個人的控制信號可能都會有區別，而且到底是腦，脊柱還是反饋出問題可能EEG的信號模式也不相同。

第一次在知乎回答問題。看到上面的都說了一點，但是貌似基本都不是業內的，幾個重要的點都沒說到。這個東西國內清華、天大、上交、浙大還有我們學校也在做，就在我們實驗室，當然不是我的小組。。我們組搞四足機器人的，就是剛被Google收購的波士頓動力公司那款。不過基本的科普我也能做做吧。
這個的核心技術就叫BCI——人機介面技術。簡單的說就是建立人和機電裝置的介面，這個介面主要指的是通信介面，通過這個借口傳輸的信號可以使神經信號，也可以是肌電信號（ECG），還可以是動作信號，前兩個比較高端，神經信號就是將人體的腦電信號或者其餘體表神經的弱電信號讀出來，然後放大解析，然後用這個處理過的信號去控制機電設備，比如機械手、機械腿、汽車、手機什麼的。這個過程中首先第一的難點就是如何讀出人體里的神經信號，我同學在上交念博士，他們實驗室主頁的圖片就是一隻手跟一隻機械手放在一起，兩隻手擺著一模一樣的手指動作，其中人的手腕被割開，然後將電極直接伸入裡面接觸到手部神經。。。。當然現在沒有這麼野蠻了，都是直接用貼片電極貼在頭皮上讀腦電信號或者貼在手上讀機電信號，不再需要去割手割腳了，不過相關儀器都是國外進口的，跟wii差不多大，一般都幾十萬一台。但是能有信號就成，足夠進一步處理髮論文混畢業啦。
讀取人體的生物電信號主要是用過做假肢，有了生物電信號就可以控制機械手機械腿實現人機合一，這個已經有商業產品了，雖然已經非常高科技了，但是還是具體應用還是很有局限性的，具體原因後面說，先說另一種軍事或者電影里常見的——外骨骼機器人。這種就像大部分人都熟知的跟高達一樣的，美國也已經做出了原型機，就是將跟人的骨骼一樣動力機械裝置與人的手、軀幹、腿連起來，但是不是固連，而是外骨骼能隨著人的身體運動也做協同的靈活運動，外骨骼是裝了電機或者液壓動力裝置的（我們實驗室用的是氣動肌肉，力學性能跟真的肌肉很接近）。這樣在人動作的時候，外骨骼隨著動作提供更大的力，就好比汽車的剎車助力、方向盤助力一樣。這種外骨骼的作用一是大家都知道的軍事，其次就是幫助中風病人鍛煉康復，所以也叫康復機器人。很多中風患者，手腳只能微微動作一下，但是基本無力，通過這個康復機器人，可以反過來刺激患者的肌肉和神經的康復。這個機器人的難點在於：一是因為人的關節自由度比較複雜，要完全模擬出人的動作會比較難；二是空間所限，用於助力的電機、液壓缸什麼的不好安裝；三是機器人通過各類感測器感應到了人的動作後，開始做輔助施力，但是只能知道人開始運動，運動的終點在哪卻無法明確，機器人的驅動部件，就是那些電機啊液壓缸啊什麼的不知道整個運動過程，也就不知道自己該如何動作。這個的解決辦法是搞模式識別（此處因為是師兄們在做，個人理解可能有誤，歡迎修正和補充），因為單純從自由度分析貌似人的運動可以有無限可能性，但實際上人體的運動因為骨骼和肌肉的配合工作，以及人的習慣性，人體的運動大體可以分成固定的幾種模式，機器人識別模式，按既定模式動作就可以了。說起來簡單，不過具體做起來貌似還是很難。但是總的來說，我覺得外骨骼機器人還是很有前途的，能對大量的中風病人有很大的幫助。大家也不要只盯著軍事應用了，打仗可不是什麼好事。實際上這個除了美國的軍事研發，日本的松下公司已經做出商業化產品了。
至於最熱門的基於人機介面技術各種機器人，先說一個大前提，就是現在對於大腦的認知程度實際上非常低，也就是說大腦對於人、對於信號讀取是相當於一個黑箱的，根本無法知道大腦具體在幹嘛。不過好消息是，現在美國已經加大了資金來投入到人的大腦相關項目，最先突破的就是相關物理儀器，現在想獲知大腦的運行狀態什麼的已經不需要開顱了，隔著皮膚就可以知道具體的某個神經細胞的各種狀態，要知道每個大腦神經元差不多都有幾千個突觸伸出去，與人體多種細胞相連。整個人腦的神經元互聯三維圖已經開始繪製，當然這是一個龐大的工程，最近進展是已經繪製了人腦一立方厘米的神經元圖。新的研究還發現，過去認為的人腦分區主管各個功能的理論是錯誤的，人的每一個功能的控制都需要遍布大腦的不同神經元協同工作，整個過程非常複雜，可以望見對於大腦的認識會越來越深，進展速度也會越來越快。說個題外話，錢都投入到大腦研究來了，那麼別的項目，例如過去幾十年非常重視的癌症研究，個人認為，反而漸漸冷下來了，貌似是因為癌症實在難以攻克，大家都失去了信心一樣，至少在知乎看到的大部分關於癌症的文章，都不怎麼談具體的技術了，開頭就是談哲學，什麼換個角度看癌症，癌症其實不是病之類的。。。。。真的是這樣么？有相關人員能否解釋下。回到正題，雖然對於大腦的研究加深了，但是大腦對於人類來說始終還是一個黑箱，我們不知道裡面在幹什麼，我們只能檢測到一些微弱的電流。
基於上面的內容，可以知道實際上這方面可以做的很有限，我發現大家都很高估了這個技術的具體能力，例如之前的三維印表機（本科畢業設計我做的就是三維印表機。。什麼都搞點，沒一個精的機械民工。。）。大家看到的藉助外骨骼機器人踢球，MIT最近展示的成果讓癱瘓病人通過腦子控制機械手來喝茶等等，很科幻，也很尖端，但這些都只能說明這個領域很有發展前途，但是才剛起步，很幼稚。這裡面，並不是通過讀取腦電信號然後直接解析出諸如「我要踢球」「我要喝茶」等信息，這些關於人的主觀思維的信號，現階段根本就不可能讀取和解析，如果真的有一天可以用儀器隨便讀出人的主觀思維，也就是大腦到底在想什麼，那可能會對整個社會的基本倫理、運行規律產生巨大的衝擊吧，也許社會會變得更美好，更大的可能是變得更可怕吧，每個人都不在有隱私了，意味著也就不再有自我。
那麼踢球、喝水是怎麼做到的呢？這個我只能猜一下，應該是前期不斷訓練的結果吧，大腦依然是個黑箱，沒人知道裡面到底在幹嘛，但是讓具體的某個人不停的想某個事，然後讀取這個腦電信號，通過大量的訓練，找到腦電信號里的相關特徵，這樣儀器再次讀到含有這個特徵的信號時，就知道如何動作了。但是如果想的是別的東西，我們還是會什麼都不知道。看過一個清華大學的相關實驗視屏。視頻里，被實驗人員頭上戴著腦電信號探測器，眼睛盯著電腦屏幕，實驗的目的是通過腦電信號控制一隻玩具狗的運動。在實驗中，電腦不斷播放有規律的顏色圖片，人眼看到這些圖片後，因為這些圖片的顏色和閃爍，會在人的大腦底層活動中產生一定的影響，從而使大腦產生特定的腦電信號反饋，讀取這些信號分析處理後，轉換成玩具狗遙控器的控制信號，就能控制玩具狗前進、後退、左移、右移了。這個實驗中，實驗者的大腦並不是在想「前進」「後退」等東西，而是通過看圖片讓大腦產生很低級的腦電反應。整個過程中人都是一種連潛意識都算不上的大腦運動，跟主觀思維有關的東西依然還是個黑箱。但是不管怎麼說，對於人機介面的研究，也可以反過來促進人對大腦的認識。
ps：第一次好久沒寫這麼長的文字了，上班偷偷寫的。。大家將就看，有錯誤的歡迎指出來。

為這一場景提供支持的是一個叫做「Walk Again Project」的項目，該項目通過國際合作利用最新技術來幫助癱瘓病人重新站立或活動起來。研發團隊的這一外骨骼設備用於支撐患者腰部以下的癱瘓肢體，它由穿戴者的大腦神經意識操控，而這個控制過程由一個頭戴式的設備檢測腦電波的活動模式來完成。人的所有動作其實是腦電波控制的，這個相信大家都比較清楚，大部分殘疾人(肢體不能運動但是肢體發育正常的)都是因為腦信號無法傳遞。比如某人被車撞了後來雖然說手腳都還在，但是神經斷了一根，那他想動一下手，但是信號指令傳不過去，所以就殘疾了。又比如說你家的網線被老鼠啃了，雖然原則上你的電腦是有上網能力的，但是沒有網線也沒辦法上網(假設你家沒有無線-_-||)。這些腦信號將被無線發送到穿戴設備內置的一個計算中心上，隨即可以轉換成相應的動作
　當然，僅僅使下肢獨自運動是不夠的，項目團隊希望讓穿戴者行走自如。他們在外骨骼設備的內部安裝了感測器，收集觸覺、溫度以及外力信息，並將這些反饋信息通過一個視覺顯示器或振動，感覺可以直接傳遞到大腦，讓穿戴者真正感受到外骨骼如同身體的一部分。
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今天看到一則新聞，補上。。
　本報天津6月14日電（記者張國通訊員靳瑩）一名癱瘓少年在腦控機械外骨骼的幫助下，為今年的巴西世界盃開球，這項神奇的技術其實離國人並不遙遠。

今天，天津大學和天津市人民醫院發布了雙方共同研製的人工神經康復機器人系統「神工一號」，這是全球首台適用於全肢體中風康復的「純意念控制」人工神經機器人系統。與在世界盃上亮相的腦控機械外骨骼相比，「神工一號」能夠真正實現大腦皮層與肌肉活動的同步耦合，做到身隨意動、思行合一。

發布會現場，一位偏癱病人通過這一系統能夠「指揮」自己原本無法動作的肢體完成相應動作。項目主要負責人、天津大學精儀學院教授明東說，中風患者是因為中樞神經或者周邊神經受損，大腦無法發出正確指令，或者指令無法傳輸到周邊神經。這套系統不僅要正確、快速解碼腦部信號，「重塑」中樞神經，還仿生構築了一條完整的「人工神經通路」，把人體受損的中樞神經和周邊神經連通起來。它需要首先提取體驗者的腦電數據，隨後通過腦電的非同步「腦-機介面」技術模擬中樞神經通路，解碼體驗者的運動意念信息，進而驅動多級神經肌肉電刺激技術模擬周邊神經通路，刺激癱瘓肢體產生對應動作。

該系統包括無創腦電感測模塊、想像動作特徵檢測模塊、運動意圖識別模塊、指令編碼介面模塊、刺激信息調理模塊、刺激電流輸出模塊6部分。體驗者需要把裝有電極的腦電探測器戴在頭部，並在患病肢體的肌肉上安裝電極。其中，「腦-機介面」可以無創讀取腦電信息，不再需要把晶元植入到大腦或者脊髓中，就可以較為準確地讀取人的意念。

據明東介紹，腦控機械外骨骼是利用被動機械牽引，非肌肉主動收縮激活。而「神工一號」則利用神經肌肉電刺激，模擬神經衝動的電刺激引起肌肉產生主動收縮，帶動骨骼和關節產生自主動作，與人體自主運動原理一致。這一點對於病人來說意義重大，他們藉助「神工一號」不僅能夠完成相應動作，還能加快康復進程。天津市人民醫院康復科主任、天津市康復醫學研究所所長杜金剛表示，這在康復醫學上是重大突破。

竊以為，以現在的技術發展程度，外加百分之三十的可能的技術突破，可以猜測：提前編好機器人（也就是演出時候穿的外骨骼）程序，表演而已。

頂多頂多，可以由腦波控制機器人什麼時候開球而已，一個固定的腦波信號就搞定的事情。

萬磁王：親愛的查爾斯，你可以站起來自由行走了！
X教授：哦！

就是用電極檢測運動的電信號，然後用體外骨骼機械來模擬腿部肌肉運動，從而實現行走。如果使用植入電極還可以精確到控制機械手指的運動。這個技術已經在小規模臨床實驗中了，世界盃是個不錯的宣傳。

應該是用腦電控制機構完成動作的設備吧。大概原理是用感測器採集腦電信號，經過信號處理後得到控制信號，然後用這個信號控制機械結構也就是外骨骼設備動作。這方面的研究應該歸於腦機介面一類吧，難點應該在信號採集和信號處理兩方面。人的思維不同會產生不同的腦電信號，要把這個腦電信號採集起來需要比較靈敏的感測器，江湖傳聞有時候做實驗要剃光頭的，不然信號採集不理想。另一個方面是把採集起來的信號經過處理後分辨出人想要執行的動作，得到一個控制信號，貌似可以用毛毛多種濾波方法，換一種方法能發一篇文章（羨慕嫉妒恨ing）。用這個控制信號控制外骨骼機構動作，大概是這麼個流程。腦機介面這個方向貌似還比較火，市面上已經有用腦電控制的小遊戲了（戴上一個頭盔，用「意念」控制人物），不過非常簡陋，而且很累。

讀研的時候實驗室剛好是做BCI （Brain Computer Interface) 的，我的組應該說前幾年勉強算是世界領先水平。高票答案已經說得很好了，我再給大家補充一點BCI 的科普和八卦吧。

這是一個當初我們給三星做的BCI 系統的演示視頻：三星腦波控制 Samsung-BCI-demo-for-MIT-TR

所謂Brain Computer Interface，簡而言之就是通過檢測實驗者腦部電位的變化來獲知其指令，或者監測其狀態。目前應用最廣泛、識別成功率最高的BCI 信號當屬「穩態視覺誘發電位」，SSVEP（Steady-State Visual Evoked Potentials）。

SSVEP的原理其實相當簡單。當實驗者注視一個以恆定頻率閃爍的信號燈時，把採集到的實時腦部電位做頻域分析，可以發現一個強烈的同頻率信號，故可以此作為接受實驗者指令的依據、完成人機交互。舉個栗子，當你注視一個以20Hz頻率閃爍的LED，我就可以從你的腦電位中分析出一個強烈的20Hz信號。你換成注視25Hz的LED，在我的電腦里這個信號就變成了25Hz。前面三星的演示視頻里，開始、暫停、換曲子等等指令都是和屏幕上的幾個不同頻率的小亮塊一一對應起來的。所以演示者注視哪個亮塊都可以分析出來，也就觸發相應的指令了。

目前商用的BCI系統非常昂貴，尤以Dry contact 電極系統為甚（Dry contact就是金屬觸點直接輕觸頭皮，不需要先抹上各種液體，也不需要插進頭裡...話說以前他們真的是這麼做的...），我們實驗室最初花了十萬美元買了一套g.tec 的Dry contact BCI系統。後來經過師兄師姐和老闆的不懈努力，終於造出了我們自己的Dry contact BCI信號採集系統。話說加州大學洛杉磯分校（UCLA）曾經想只花5000美元就買我們做的設備——尼瑪我們的辛勤勞動就這麼不值錢么——被老闆一口回絕了。

那麼目前的BCI 系統對人體究竟有沒有傷害呢？這個還真不好說。由於大腦皮層的原發電位變化實在是太微弱，現在的BCI都必須向腦部注入微弱的電流，來加強腦電位的變化、以便被清晰的檢測出來。這個注入電流對人腦的影響，目前還沒有被充分研究，只能說"沒有觀察到明顯的傷害"。比如答主我，做了一個學期的小白鼠，現在還是活蹦亂跳的不是么。但是有的試驗者，確實在做完實驗後出現過心慌、失眠的現象。

另外，我曾經問過師兄一個問題：整個BCI系統從硬體到軟體，其實並不是非常複雜，為什麼國內的高校還少有這方面的建樹（現在發展的怎麼樣了我不是很清楚）？師兄長嘆一口氣，說：「板子上的主要晶元都對中國禁運啊，巧婦難為無米之炊不是！」

咱祖國電子行業的振興，任重而道遠啊！

世界盃獨家揭秘：「鋼鐵俠」如何踢出首戰第一球？視頻 2014年巴西世界盃首場比賽，全世界將見證「腦-機介面」與「外骨骼」技術的里程碑式時刻：一位「鋼鐵俠」將踏入賽場中央，開出本屆世界盃第一球。科幻如何照進現實？
「《環球科學》連線」視頻節目，將為你獨家揭秘世界盃首球背後，神經科學、機器人技術的偉大革新。看一看，科學家的雄心，如何步入綠茵賽場。

外骨骼技術裝置中還包含了多種感測器，並將這些信號反饋到大腦之中，進而使得運動控制更為精準。先前美國北卡羅萊納大學電子工程專業的研究人員已經研製出了智能假肢，原理可以與此關聯。

採集腦電生物信號，經過處理識別後驅動外骨骼機械動作。腦機交互。

這個技術真的還是開始的開始，離真正的應用還需要太多突破性的研究。尤其是腦科學的研究，從理論基礎到，檢測手段都差太遠了。

前面幾位都答得不錯了。就是人機介面技術的應用。
腦科學應用已經秀到世界盃了，意味著腦時代確實已經來臨，yeah！

做過簡單的遊戲性實驗，也是有一個頭戴式腦電信號採集器（當時戴的還是無線的，感覺高大上啊），電腦有一個usb接收器。電腦上有個對應的軟體，在這個軟體里你可以利用你的腦電波實現一些操作。比方說，用意念控制一塊石頭的起落。

大體操作是這樣的：你先反覆想一件事，比方說你可以想:我要搬起石頭，我要搬起石頭。。。同時採集這個時候的腦電波，並把這個波與軟體中石頭起這個動作聯繫起來。
然後，當你再反覆想剛才那件事（我要搬起石頭，我要搬起石頭。。。）的時候，電腦檢測到了相同的腦電波，於是與軟體中石頭起配對，然後石頭就起來了。

真實實驗中成功率還是挺低的，因為一是信號採集雜訊問題，二是腦電波也不可能因為你想一件事而產生精確地對應與那件事的腦電波，只不過是一種差不多（此處我不很懂，不說）。

其實大體思想就是先想一件事產生對應波形，建立波形與軟體中一個指令的聯繫，下次再想這件事的時候，相當於拿出了對應的鑰匙，去打開了對應的鎖。
寫著寫著發現自己不懂的地方還很多。如果看的人多就再去請教別人再詳細解答。