1 工作简介

         ——基于忆阻器类脑计算芯片的自适应脑机接口

脑机接口（BCI）是人脑与外部设备之间建立的直接连接通道，不仅能够促进人机交互，还可以用于脑科学研究以及神经系统疾病的诊疗。然而，传统脑机接口面临两大挑战：人脑是一个复杂的动态系统，脑电信号存在很强的变异性，导致解码器性能难以长期维持稳定；同时，随着应用场景扩展，脑电信号采集的通道数急剧增长，解码算法也变得更加复杂，为脑电高效实时处理带来巨大挑战。

针对上述挑战，清华大学集成电路学院与天津大学脑机海河实验室合作，提出了基于忆阻器类脑计算芯片的新型脑机接口解决方案。团队研制了一款128Kb规模的忆阻器芯片作为自适应脑电解码器，构建了完整的脑机接口系统（包含脑电采集、解码和执行器），提出了单步解码策略和交互式更新框架，实现了长期稳定的高效高精度脑电解码与脑机协同演进。

该忆阻器芯片采用的单步解码策略，将稳态视觉诱发电位（SSVEP）脑电意图信号的三步解码过程（信号滤波预处理、任务相关分量特征提取、模板匹配分类）整合为单一步骤，将计算复杂度降低6.5倍，同时减少了忆阻器非理想特性对计算精度的影响。在四自由度实时脑控无人机飞行任务中，该解码器达到了与软件计算相当的解码准确率（85.17%）。计算评估显示，忆阻器芯片解码的能耗比CPU降低了3个数量级，归一化处理速度提升了2个数量级。

团队开发的交互式更新框架，利用误差相关电位（ErrP）作为大脑对忆阻器解码结果的反馈信号，在实验过程中动态累计新样本用来更新忆阻器解码器，使其能够与动态变化的脑信号协同演进、相互适应。在10名被试参与且平均长达6小时的人机交互实验中，具有协同演进能力的脑机接口比传统接口的解码准确率提高了约20%。在该实验中，大脑和解码器的贡献比例呈现动态变化：初期主要依靠解码器的自适应更新，随着时间推移，大脑的贡献逐渐增加，最终达到两者的动态平衡，完整展示了脑机协同演进的过程。

该研究实现了生物大脑与神经形态忆阻器类脑芯片的首次紧密交互与协同演进，为人机混合智能开辟了新途径。利用忆阻器的高能效存算一体与电导原位更新的特点，基于类脑芯片的自适应脑电解码在硬件效率和解码准确率上均取得了突破性进展，不仅适用于各类脑机接口系统，还可拓展至神经调控、运动康复、虚拟现实等应用领域。

相关成果以“基于忆阻器自适应神经形态解码器的脑机接口”（A memristor-based adaptive neuromorphic decoder for brain-computer interfaces）为题发表在《自然电子学》（Nature Electronics）上。清华大学集成电路学院唐建石副教授、吴华强教授和天津大学脑机海河实验室团队许敏鹏教授、明东教授为论文的共同通讯作者，清华大学集成电路学院博士毕业生刘正午（现为香港大学电机电子工程系研究助理教授）和天津大学博士生梅杰为共同第一作者。合作者包括清华大学集成电路学院钱鹤教授、高滨副教授、姚鹏副研究员、天津大学脑机海河实验室团队王坤副教授、香港大学电机电子工程系黄毅副教授、清华大学生物医学工程学院洪波教授、加州大学圣迭戈分校钟子平教授等。该研究得到了科技部科技创新—2030“脑科学与类脑研究”重大项目、国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、香港研究资助局主题研究计划、香港大学基础研究种子基金、天津市脑机交互与人机共融海河实验室、天津大学先进医用材料与医疗器械全国重点实验室、北京集成电路高精尖创新中心、北京信息科学与技术国家研究中心、科学探索奖等支持。

2 主要作者简介

第一作者

刘正午，香港大学电机电子工程系研究助理教授，2023年博士毕业于清华大学集成电路学院。

研究方向是忆阻器神经形态计算和脑机接口等。以第一/通讯作者在Nature Electronics, Nature Communications, Science Advances, IEDM, DAC等重要期刊和国际会议上发表15篇论文，授权专利9项，被引1100余次。研究成果入选科技导报“2020年中国重大科学、技术和工程进展”。主持香港研资局优配研究金、国自然青年基金等项目。

共同第一作者

梅杰，天津大学生物医学工程专业博士研究生在读。

研究方向为脑机接口与脑机交互，在Nature Electronics等国内外期刊发表论文10余篇，国家发明专利3项，并在EMBC等国际重要会议作口头报告。科研成果入选国家“十三五”科技创新成就展，作为主要参与人员开发脑机接口开源软件MetaBCI。曾获世界机器人大赛优秀创新一等奖、优秀组织奖，获得天津大学医学院“创新之星”称号。

通讯作者

唐建石，清华大学集成电路学院长聘副教授、副院长。入选国家级高层次人才计划和国家级青年人才计划、《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国区榜单，获清华大学“学术新人奖”、中国电子学会自然科学一等奖等奖项。

主要研究方向包括新型存储器与类脑计算、单片三维异质集成等，以第一/通讯作者在Nature Electronics、Nature Nanotechnology、IEDM、VLSI等重要期刊和国际会议上发表论文60余篇，授权专利60余项，担任IEEE Transactions on Electron Devices编辑、Journal of Semiconductors编委，IEDM、IEEE-NANO、EDTM、CSTIC等国际会议TPC。

通讯作者

许敏鹏，天津大学讲席教授，长江学者，国家重点研发计划首席科学家，“强国青年科学家”称号获得者，《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国区入选者。

主要研究方向为脑机接口，牵头开发了脑机接口综合性开源软件MetaBCI，作为骨干参研“天宫二号”在轨脑机接口、“脑语者”芯片等，成果入选国家“十三五”科技创新成就展。主持国家级、省部级等项目10余项。以第一或通讯作者在Nature Electronics、Science Advances等发表论文200余篇，获中美欧发明专利40余项。

通讯作者

明东，天津大学副校长、讲席教授；全国政协委员、九三学社中央科技专委会副主任。国家杰青、“万人计划”专家，国务院政府特殊津贴专家。任中国生物医学工程学会副理事长、卫健委国家健康医疗大数据研究院院长、教育部智能医学工程研究中心主任、天津脑科学与类脑研究中心主任、脑机交互与人机共融海河实验室执行主任。

获第二十四届中国科协求是杰出青年奖等多项荣誉，相关成果入选国家“十三五”科技创新成就展、“奋进新时代”主题成就展等。

通讯作者

吴华强，清华大学副校长，集成电路学院院长、教授。

长期从事新型存储器及存算一体芯片技术研究。负责国家863、973计划、重大专项、重点研发、科技创新2030等国家重大科技任务20余项，在Science、Nature、ISSCC、IEDM等重要期刊和国际会议发表论文200余篇。获首届科学探索奖、基金委杰出青年基金、中国电子学会自然科学一等奖、“北京市有突出贡献的科学、技术、管理人才”称号等荣誉。兼任教育部科技委委员、高性能芯片互联技术联盟理事长、中国仪器仪表学会理事、IEEE-EDS副主席等。

3 原文传递