脑机接口从科幻到现实.docx

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1、目录脑机接口 ：脑信号完成机器控制，重新定义人机交互方式4什么是脑机接口？ 4脑机接口分为侵入式和非侵入式 5脑科学研究可以追溯到1924年，近期逐步开启商业化发展6脑机接口有望成为键盘，鼠标，触摸屏以后下一代人机交互方式 7脑机接口应用：侵入式接口多用于医疗领域，EEG+EMG提升非侵入接口操作精准度推动应用多元发展 9应用场景#1：医疗方面的运动辅助及义肢控制9应用场景#2：通过神经反馈训练强化大脑反应10应用场景#3：借助EEG捕捉事件相关电波，完成沟通11主要公司介绍：玩家逐步进场，多领域同步发展12NeuraLink：提升脑机接口带宽减小创口面积，实现超精准感知13BrainCo &

2、 BrainRobotics： 已具备成熟 C端产品， 逐步开拓用户市场 14CTRL-Labs (已被Facebook收购)：通过手环捕捉肌电信号完成交互，有望在VR搭载 15g.tec：脑机接口软、硬件及整体解决方案供应商16Neurable：借助脑机接口优化VRAR人机交互方式，推动虚拟现实加速渗透17中国企业的发展机会17附录：脑机接口技术原理详解及近期重要论文追踪18脑机接口技术原理及相关交叉学科 18近期论文：侵入式脑机接口帮助脊髓损伤患者恢复触觉19图表图表1:脑机接口原理示意图4图表2:科幻电影里的脑机接口 5图表3:脑机接口发展历史6图表4:人机交互发展路径7图表5:全球脑机

3、接口市场规模预测8图表6: 2019年脑机接口应用方向8图表7:脑机接口 “摩尔定律” 8图表8:脑机接口各应用发展及市场规模(气泡代表2025年市场规模)8图表9: BCI协助运动辅助/恢复原理9图表10: BCI机器设备协助恢复上肢运动功能9图表11: BCI义肢控制原理10图表12:国内首例侵入式脑机接口临床实验 10图表13: BCI辅助神经功能治疗与调节 10图表14:美国DARPA运用脑机接口进行军事化测试 10图表15:P300拼写器的字符矩阵 11图表16: P300沟通原理11图表17:通过捕捉P3信号实现字母输出11图表18:国外BCI公司基本信息(2019)12图表19:

4、国内BCI公司基本信息(2019)13图表 20: NeuraLink 植入方式示意图 13图表 21: BrainCo 发展历程14图表 22: BrainRobotics 智能肌电义肢 14图表 23: BrainCo 主要产品, 赋思头环 Focus 14应用场景#3 ：借助EEG捕捉事件相关电波完成沟通经典BCI沟通应用P300拼写器，依靠视觉刺激完成沟通交流。P300拼写器在屏幕上随 机高亮字符矩阵的某一行或一列，一次实验中矩阵的每行每列均会被高亮一次。EEG持 续记录脑电波信号，并将电波信号进行加工处理。如果在特定位置的高亮后300毫秒检 测到P3波（小概率电波），则表示参与者正在

5、关注这一位置。通过解析脑电信号中的P300 拼写器高亮时间及位置顺序，并对照刺激序列的时间，进而确定产生刺激的行列位置， 最终确定出参与者注视的字符。图表15: P300拼写器的字符矩阵see.A61 F L5 E K4 I D J34c I21B H资料来源：腾讯云,9 tM10tS11-Y12T5图表I6:P300沟通原理图表17:通过捕捉P3信号实现字母输出视觉反馈反馈分类听觉反馈特征提取处理数据EEG 信号记录资料来源：CSDN,Latency (ms)700900资料来源：CSDN,主要公司介绍：玩家逐步进场，多领域同步发展随着半导体技术进步以及计算机算力提升，脑机接口相关软硬件逐步

6、成熟。从2015年开 始，国内外脑机接口公司陆续成立，研究方向主要以医疗及康复为主，逐步向教育、娱 乐、通讯等领域扩展。我们认为，未来医疗将继续成为脑机接口的重要应用领域之一， 娱乐及教育的应用方向也将快速丰富并且看好非侵入式接口成熟拓宽C端应用方向， 提高渗透率。此外，我们还发现国内公司大多倾向非侵入式接口研究，但海外公司多以侵入式接口为 主，我们认为主因1）侵入式：手术监管严格，国内大多由公立医院或大学研究，海外 则以初创公司向FDA申请，通过后寻找志愿者进行实验；2）非侵入式：无创口特点适合 C端普及，国内公司倾向研发能够快速向C端普及的产品，且研发时无需进行手术。图表18:国外8C/公

7、司基本信息（2019）成立时间研究方向接口类型累计融资额简介NeuraLink2017医疗康复侵入式累计约1亿美元主要研发将人工智能植入人类大脑皮层的脑机接口技术（侵入式），以提高 人类的智能化水平Facebook-通讯非侵入式-Facebook研发的无创型脑机接口是个非侵入式的穿戴设备，在便利性上更胜 一筹，并且能够准确解码佩戴设备的人听到和说出的词语及对话。Paradromics2015医疗康复侵入式数百万美元天使 轮融资致力于让患有如失明、耳聋和瘫痪的患者使通过脑机接口技术与外界重新获 得沟通和联系。Kernel2000神经义肢侵入式1亿美元融资通过在人脑中植入设备，解锁人类大脑的潜力，

8、改善人类的认知能力并改善 患有退行性疾病的患者记忆，保证用户的大脑进行正常记忆BrainGate2001医疗康复侵入式天使轮旨在帮助那些失去四肢或其他身体功能失控的患者。2012年5月，BrainGate 研究人员在自然（Nature）杂志上发表了一项研究，表明两名几年前因脑 干中风而瘫痪的人能够控制机械手臂来抓取物体。Synchron2016医疗康复侵入式1000万美元 A轮融资公司主要致力于研发可植入设备，将这款设备植入脑中之后，可以捕捉大脑 的信号，使瘫痪患者能够控制通讯辅助装置、高级假肢和外骨骼等外部装置。CTRL-Labs（已被Facebook收 购）2015人机交互非侵入式Face

9、book 约 5-10 亿美元完成收购该设备如同一个智能腕带，其内置了轻量级皮肤传感器，能够通过16个电极 来测量并捕捉人们手腕上的神经元信号，随后用AI算法来区分每个神经的单 个脉冲，特别是由大脑到手部肌肉的神经脉冲。InteraXon2007娱乐非侵入式600万美元这是一家VR头显设备开发商，自主研发了 Muse Virtual Reality设备，采用EEG 技术来捕获用户的脑部活动Neurable2016娱乐非侵入式累计获得800万 美元融资公司软件可以使人们通过大脑活动来控制软件和物体。该技术使人们能够通 过大脑活动来玩游戏，操作玩具和驾驶大型汽车，并可以配合VRAR使用。g.tec

10、1999整体方案 提供非侵入式-生产各类脑机接口设备，具有专业的高科技便携式用于多模式生物电信号采 集研究的生理信号处理平台。资料来源:图表19:国内8C/公司基本信息（2019）1成立时间研究方向接口类型累计融资额简介BrainCo2015教育非侵入式数千万美元 A轮融资公司产品从教育领域切入，产品为赋思（Focus）头环，通过实时检测学生 的专注力、进行神经反馈训练等，提升学生的学习效率念通智能医疗康复非侵入式天使轮肢体康复设备的研发生产，主要产品是脑电帽，一款eCon无线脑电采集设2016备，可以从大脑表皮采集和保存用户的脑电波信号臻泰智能2018医疗康复非侵入式数百万人民币脑控医疗康复

11、系统研发商，主要提供辅助交互及康复治疗设备，包括辅助 行走、康复训练等博睿康2011神经研究及康复非侵入式超过1亿人民币主要为神经科学创新研究与临床神经疾病诊断、治疗与康复提供专业、完 整的解决方案脑陆科技2018BCI+大数据非侵入式数千万人民币脑科学与及医学大数据服务提供商，利用人工智能和医学大数据等技术，主耍从事脑科学基础以及类脑决策/脑电图像等方向的研究曼安智能2014通讯非侵入式-公司产品Mind Angel通过接收人体脑电波，将设备内置传感器过滤后的脑波 转化为机器设备指标布朗诺科技2016健康监测非侵入式脑机接口可穿戴产品研发商，利用脑波反馈等技术从事脑机接口技术的研发和设计。旗

12、下主要产品包括挂耳式脑波与心率测试设备脑波等BeDream2016健康监测非侵入式-BQ脑电信号分析算法实时精准展现睡眠状态。可利用深度学习算法为用户 定制个性化睡眠改善方案，精准推送催眠指令、特定频率声音脑果2000通讯与设备开发非侵入式-产品可将使用者头脑中的想法直接转化为文字、命令或数据并传输给其他 用户或设备。产品可应用于日常生活、军事、数据分析等领域。云睿智能2015设备开发非侵入式天使轮公司研发的UMind是一款前额佩戴的智能脑电穿戴设备，在大脑和外界间 建立的直接连接通路，可以用于大脑与外部实现意念交互资料来源:36sNeuraLink ：提升脑机接口带宽减小创口面积，实现超精准

13、感知公司历史概述：NeuraLink成立于2017年，是由Elon Musk创立的脑机接口公司，研究方向为医疗领域的侵入式产品，主攻针对痴呆等脑疾病的医疗解决方案。在2019年7月， Musk表示目前已研发出一套完成的侵入式脑机接口方案，并计划在2Q20完成人体实验。侵入式方案详解：方案是利用一台神经手术机器人向大脑内植入直径约4-6微米的脑电 监测线（1/10发丝），细线将通过无线方式与N1传感器连接。N1的作用是读取、过滤并 放大接收到的脑信号。然后，N1与Link （外置穿戴设备）相连，Link中包含蓝牙发射器 和电池，将脑信号通过蓝牙的方式向外界传输。与传统侵入式接口对比：NeuraL

14、ink的侵入式方案能够减小脑部创口，并且大幅提升探测 神经元数量，提升脑信号获取带宽。与传统接口 Utah array相比，NeuraLink现阶段方案 可以监测超过10,000个神经元，是Utah array的10倍，且创口面积仅为Utah array的1/200图表20: NeuraLink植入方式不意图资料来源：NeuraLink官网，BrainCo & BrainRobotics ：已具备成熟C端产品，逐步开拓用户市场公司历史概述：韩璧丞博士在2012年成立BrianCo基础项目组，于2015年在美国波士 顿成立BrianCo,公司在教育、医疗、人机交互等领域均有领先优势。其主要产品为

15、赋思（Focus）头环以及BrainRobotics的智能肌电义肢。赋思（Focus ）头环介绍：该产品硬件设备为一个圆形头环，通过4颗EEG电极获取脑信 号。软件包括1）自研算法在信号获取后将提取并分析信号特征，并在2）手机App上显 示出定量的专注力指数。止匕外，App还包括专注力训练软件，通过视频、游戏等方式训 练使用者的专注力程度。目前该产品已经广泛应用于中国、美国和西班牙等国家的学校。产品优势及特点：Focus头环将EEG电极数量减少至4颗，且通过自研算法将专注力定量 显示，能够帮助家长训练孩子的专注力水平。我们认为该产品在以下方面具有领先优 势：1）针对性放置EEG电极，降低设备重

16、量，方便携带；2）减小EEG电极数量还能降 低生产成本；3）自研算法能够显示专注力指数，量化难以直接测量的脑部活动；4）提 供手机App并且内置专注力训练软件，帮助用户提升专注力，形成完成生态闭环。图表21: BrainCo发展历程图表22: BrainRobotics智能肌电义肢jb2012jt2015 基础研究项目组成立 美国总部正式成立2018，完成A轮融资，估值 约4亿美元I 2014、进驻哈佛大学创新实验室2017进入中国市场，被评为 全球10大脑机接口公司资料来源：BrainCo官网,2019、中国总部 正式落户杭州资料来源：BrainCo官网,图表 23: BrainCo 主要产

17、品，赋思头环 Focus图表24: Focus软硬件特点资料来源：BrainCo官网,医疗级别的EEG 信号探测水凝胶自有研发的EEG 探测电路板资料来源：BrainCo官网,CTRL-Labs （已被Facebook收购）：通过手环捕捉肌电信号完成交互，有望在VR搭载公司发展概述：Ctrl-Labs成立于2015年，公司致力于开发一种能够将肌肉信号转换为机 器可续指令的腕带产品。公司认为未来用户能够使用神经单元直接实现设备控制，无需 通过鼠标、键盘、屏幕等输入方式。该公司已在2019年9月被Facebook收购，公司目 前正在开发一种接受脑信号的腕带产品，希望成为未来人机交互的新手段。Ctr

18、l-labs腕带介绍：腕带内置16排电极能够监测手部肌肉神经的运动信号，并且借助机 器学习算法，区分每个神经的多个脉冲，从而将肌电信号转变为机器可读指令。该产品 还可以操作虚拟键盘，将手指动作映射到PC或智能手机中。产品应用前景：我们认为，Ctrl-Labs腕带未来有望在智能手机、智能手表和VRAR等设备 中使用，实现非接触式操作。由于现阶段VR仍需较大空间借助摄像头完成动作捕捉，该 产品能够减少VR所需活动空间。在并入Facebook后，我们认为Ctrl-Labs有望与Oculus 形成协同效应，优化VR用户体验，推动VR渗透率提升。图表25: Ctrl-labs腕带展开图资料来源：CTRL

19、-Labs官网,图表26: Ctrl-labs腕带操作Chrome 跳跃的恐龙”游戏 图表27: Ctrl-labs腕带产品资料来源：CTRL-Lobs官网,资料来源：CTRL-Sbs官网,g.tec ：脑机接口软、硬件及整体解决方案供应商公司发展介绍：g.tec于1999年在奥地利成立，主要开发商用BCI系统并已在全球发售。 g.tec产品应用于所有的BQ领域，包括运动图像，可穿戴设备等。g.tec能够提供实验室 所需脑机接口的全部设备以及算法整体解决方案等。产品优势：g.tec是BCI领域上游设备器材供应商，具备完整的非侵入式接口解决方案。 未来随着脑机接口关注度提升以及非侵入式接口无创、

20、接近C端等特点，越来越多的玩 家将进入非侵入式领域。我们认为，EEG软硬件是展开脑部研究的必要设备，且设备及 算法研发难度较高，g.tec先发优势明显，将率先享受脑机接口行业发展利好。图表28: g.tech主要产品生物信号放大设备 q.HIAMP生物信号放大设备q.USBAMP RESEARCHBIOSIGNAL AMPLIFIER生物信号放大设备g. HEADSTAGEMINIATURIZED PRE AMPllFlEF可穿戴EEG头罩g.NAUTILUSPROWEARABLE EEG HEADSET有源电极系统g. GAMMASYSactive electrode system外部刺激模

21、拟装置g.STIMBOXDIGITAL STIPULATION BOX电刺激器q.ESTIMFESFUNCTIONAL ELECTRICAL STIMULATOR整体解决方案g.BCISYSBCI RESEARCH SYSTEM资料来源：g.tec/?官网,图表29: g.tec设备主要应用方向资料来源：g.tec官网,Neurable :借助脑机接口优化VRAR人机交互方式，推动虚拟现实加速渗透公司发展回顾：Neurable成立于2016年，致力创建娱乐方向的人机交互脑机接口，能够 让用户借助脑电波控制VR、AR和智能手机。公司在2019年12月完成了 A轮融资，将 打造一款可以测量用户脑电

22、波并为移动设备提供操作控制的消费者头戴设备。产品特点：Neurable为HTC Vive开发了一套配套VR头显的脑机接口组件。该产品能够使 VR开发者创建由大脑控制的应用，让用户可以通过大脑完成人机交互体验。据公司介绍， 该产品将最终成为脑机界面解决方案，用户可以通过大脑意念来滑动菜单，选择项目， 启动应用程序，操纵对象，甚至完成输入文本。应用方向前景：Neurable是现阶段唯一一家娱乐领域的脑机接口公司。我们认为，VRAR 用户对于新科技有较快的接受能力，脑机接口在娱乐领域将有较大空间，并且解决了用 户与VR交互障碍，改善用户体验，助力虚拟现实设备渗透率提升。图表30: Neurable

23、VR产品特点支持眼部追踪功能资料来源：Neutable官网,图表31: Neurable产品使用资料来源：Neutable官网,中国企业的发展机会高校联合政府孵化：侵入式接口方面，浙江大学附属医院在2020年初完成国内首例侵入 式接口手术，开启国内侵入式接口的市场。然而由于需要手术将电极植入脑部，且手术 难度较大，企业难以直接进入市场，适合通过大学或医院孵化。非侵入接口公司能够依 托高校在神经学和科技相关人才积累及国家政策支持，切入脑机接口非侵入市场。我们 看好通过大学实验室依托政府政策孵化脑机接口公司或研究机构，实现技术突破，如北 京脑科学与类脑研究中心和博睿康等公司或机构。 北京脑科学与类

24、脑研究中心：由北京市政府与中国科学院、北京大学、清华大学、 北京师范大学等单位联合共建。中心重点围绕认知障碍相关重大疾病、类脑计算与 脑机智能、等方面开展研究，实现前沿技术突破。 博睿康科技：公司核心团队由清华大学神经工程实验室高科技人才，以及临床神经 领域的医疗市场专家组成，科研人员占全公司人数的一半以上。早期专注于在实验 室进行技术研发，承担国家“十二五”科技支撑计划后，公司逐步迈向产品化进程。海归团队在国内发展：侵入式接口研究受到手术管理严格，多以医院及高校人才培养为 主。非侵入式接口是海外人才归国的重点研发方向，借助海外领先的生物及科技领域研 发能力，设立中国与海外双总部，如Brain

25、Co等。我们认为，未来将会有更多的海归人才 在国内组建团队创业，推动国内脑机接口技术发展，丰富应用场景，加速向C端普及。附录：脑机接口技术原理详解及近期重要论文追踪脑机接口技术原理及相关交叉学科在大脑产生动作意识或受到外界刺激时，神经细胞会产生毫伏级的微弱电活动，大量神 经细胞活动形成脑电波。脑电波根据动作意识或外界刺激的不同，会有特定的节律或空 间分布，借助高性能生物电信号采集系统（脑机接口）可以捕捉脑电波并根据算法转换 为数字信号。图表32:脑电信号获取横截面图脑电放入制资料来源：CSDN,图表33:大脑不同区域控制四肢及器官资料来源：CSDN,图表34:脑机接口数据采集原理（以运动想象为

26、例）运动想象电波获取信号获取及分析Gamma (y) *w*MKBeta（p） 卜删理丽郴叫神愉加叫*MWTheta（0）/畤 （秒）资料来源：科学月刊,图表35:脑机接口与各个学科交叉领域物理月凶机接口Brain MachineInterface机械工程神经工程物理理论知识支持 从原理角度解释 产品泅试时出现的问题 从根本解决问题传感器 底层传感器原理 设计和应用电气工程理论知识支持 从原理角度解释产品测试时出现的问题 从根本解决问题 传感器 底展传感器原理 设计和应用结构 产品结构的设计比如机械手的结构、产品 支律和穿筑设备校定性材料学 找取适当的植入、非植入 材料实验神经学临床神经病学等

27、可开拓发展方向 在产品设计以及发展方向中给出专业的指导意见信号处理和传辅 肌肉信号处理僖号引爆信号有线、无线传输 （WiR、蓝牙等）物联网 BMI在智能家居的应用机械工程I结构产品结构的设计比如机械手的结构.产品 支撑和穿戴设备秘定性材料学我取适当的植入、非植入 材料神经工程X实验神经学临床神经病学等可开拓发展方向 在产品设计以及发展方向中给出专业的指导蕙9机器人（人工智能 人工智能在8MI的应用人工智能对产品交互体皴提升嵌入式 坦片机的选用、编程PCB的设计、焊接和制作单片机的输出信号应用和实现计算机I软件编程/人机交互实现产品预期功能设计必要的交互界面编程函数编程函数的输入/输出的规地设定

28、算法优化程序和系统功能更有效的实现机器学习训炼产品，比如训练机械1 使其记住用户的神经信号: 分析电脑数据和决策过程. 融合送人槊思维资料来源：硅谷Live,近期论文：侵入式脑机接口帮助脊髓损伤患者恢复触觉在2020年4月24日，Cell上发布了一篇关于脑机接口帮助脊髓损伤（Spinal Cord Injury, SCI）患者恢复触觉的论文。该脑机接口技术捕捉患者在脊柱受损后，手上仍残余触摸感 知的信号。通过手臂上的肌电信号捕捉装置将触觉信号放大成有意识的知觉，并反馈至 患者大脑，达到增强神经信号目的，进一步丰富瘫痪病人的运动感知功能。图表36:脑机接口帮助患者恢复触觉Mvltiptexed

29、OemuitipleKed Touch Demultifilexed MotorTouch No Touch资料来源:Demultiplexing Neural Interface图表24: Focus软硬件特点 14图表25:CtHlabs腕带展开图 15图表 26: CtH-labs腕带操作 ChromeEK跃的恐龙”游戏 15图表27: Ctrl-labs腕带产品 15图表 28: g.tech 主要产品 16图表 29: g.tec设备主要应用方向 16图表 30: Neurable VR 产品特点 17图表31: Neurable产品使用17图表32:脑电信号获取横截面图18图表33

30、:大脑不同区域控制四肢及器官18图表34:脑机接口数据采集原理（以运动想象为例）18图表35:脑机接口与各个学科交叉领域19图表36:脑机接口帮助患者恢复触觉19脑机接口：脑信号完成机器控制，重新定义人机交互方式什么是脑机接口 ？脑机接口（Brain computer interface, BCD是在人脑与计算机或其它电子设备之间建立的 直接交流和控制通道。通过这种通道，用户可以直接通过大脑思想来表达想法或操纵设 备，而不需要语言或动作。脑机接口实现可以分为四步：脑电采集。信号获取及处理- 信号输出（执行）一反馈。 脑电采集：脑电采集是BCI的关键步骤，采集的效果、信号强弱、稳定性及带宽大 小

31、直接决定后续的处理及输出。采集方式是通过不同类型的接口将大脑活动产生的 电波采集并转换为电信号，传输至电脑。 信号获取及处理：信号处理是将转化为电信号的大脑活动，去除干扰电波以及其他 信号，并将目标分类并处理，转化为可以执行输出的对应信号。 信号输出/执行：信号输出是指将收集并处理后的脑电波信号传输至已连接的设备器 材，执行目标动作或显示目标内容等。 反馈：在信号执行后，设备会产生动作或显示内容，参与者将通过视觉、触觉或听 觉感受到第一步产生的脑电波已被执行，并触发反馈信号。图表1:脑机接口原理示意图资料来源:脑机接口分为侵入式和非侵入式BCI根据脑电信号获取的方式，可分为非侵入式和侵入式。非

32、侵入式接口是ToC端发展方 向，优点在于只需要通过相关设备对大脑皮层的表面信号进行分析，能够直接进行采集 和处理信号不需要外科手术的介入。侵入式主要应用在医疗及康复领域，优点在于可以 精准监测脑电波信号，多用于义肢器械操作。科幻电影中多次出现脑机接口，引起观众遐想。在1999年上映的黑客帝国电影中， “矩阵”通过侵入式脑机接口和大脑神经连接，人类感受到视觉、听觉、嗅觉、味觉等讯 号，以此囚禁人类的心灵。在Xmen中，X教授通过“脑波强化机”能够将脑电波放大, 与任何人实现连接。在阿凡达电影中，主角通过EEG和EMG结合，能够控制 纳威人的身体，在潘多拉星球上行动。图表2:科幻电影里的脑机接口脑

33、机接口黑客帝国侵入式接口阿凡达X-men非侵入式接口Micro wireUtah array(single shank)Michigan array(single shank)(four shank)主要公司kernelBRAINyNEURAL IN KParadromicssynchronEMG/EEG、CTRh-Labs BrainCo喙 neuracle上.neurable资料来源：ResearchGate， KenResearch，侵入式：精准捕捉脑电波，但手术创口较大，风险性高侵入式接口通过手术等方式将电极直接植入到大脑内部，优点在于能够获得高质量的脑 电信号，但却存在较高的安全风险

34、和手术及接口零部件成本。此外，由于脑部出现异物 侵入，可能会引发人体自身免疫系统反应和愈伤组织干扰已植入的电极，导致信号质量 衰退甚至是消失，并且手术伤口也容易出现难以愈合的情况及炎症。技术进步推动侵入式接口实现应用，NeuraLink突破MEA带宽极限。在1977年Gross首次应用MEA(Microelectrode array),但受限于当时的技术并不发达，脑部手术创 口约2mm2且脑部能够植入的MEA数量也在10个左右。随着技术进步，创口逐渐缩小且能够植入的MEA数量迅速增长。NeuraLink在19年宣布可以实现宽度在4-6微米的微 创MEA,并且在脑部中可以植入超过10000根，能

35、够捕捉大量脑电信号。非侵入式：无创接口，但感知精确度较低非侵入式接口是只需通过在大脑头皮使用特殊设备获取脑电波信号并进行解读，无需通过 创口将电极植入大脑。非侵入式接口虽然避免了手术风险及部分硬件成本，但是由于颅骨 对于大脑信号会产生隔离或衰减。此外，颅骨会对神经元发出的电波造成分散和模糊， 使得外部设备捕捉到的信号和清晰度较低。颅骨信号干扰导致设备难以确定信号源的对应 脑区以及相关的具体神经元位置。现阶段非侵入式接口方式主要有EEG和fMRL脑科学研究可以追溯到1924年，近期逐步开启商业化发展脑科学研究是人类探索自身的研究过程，大致可分为三个阶段。1）脑结构理解：在1924 年Hansbe

36、rger发明了 EEG脑电捕捉设备，实现了首次人类大脑电波获取，并在之后的几 年尝试控制大脑信号并提出了脑机接口的概念；2）脑部信息读取：21世纪初，BrainGate 首次尝试了侵入式脑机接口并且有较为成功的效果，可以帮助患者控制机械做出简单动 作；3）商业化落地：随着科技硬件逐步成熟，脑机接口应用逐步多元，BrainCo NeuraLink 等公司发布商业化产品。此外，Facebook也在2019年收购了 CTRLLabs进入脑机接口领 域，我们预计未来有望与Oculus VR结合，优化用户体验。图表3:脑机接口发展历史脑结构理解 / 商用化发展19682013Hansberger 发现脑

37、 电波并发明EEG脑机接口的开端:Wyrwicka 和 Sterman 首 次进行控制大脑信号尝试1977；淤建出BCI概念Guenter Gross 首次应用侵入式脑机接口创脑机接口并Philip Kennedys首采用局部场电位次植入神经电极2017202020182019 Musk 宣布 NeutraLink 发 布完整侵入式接口方案 Facebook以510亿美金 收购 CTRL-LabsfinGate完成首个大脑运inGate展小首次立 甲皮层侵入式接口手术.受入式脑机接口，次植脑信息读取BrainCo专注力头 环产品发布，面 向C端客户rainRobotics 义肢 帮助残疾人控制

38、 假肢与郎朗合奏折江大学完成国为首例植入式脑九接口喷床研究资料来源:Journal of Neurology, ISHN, BrainGate, BrainCo, NeuraLink,浙江大学,脑机接口有望成为键盘，鼠标，触摸屏以后下一代人机交互方式人机交互方式从按键、屏幕触控、语音助手、手势识别、眼部追踪不断发展，持续创新 推动人机交互方式更加便捷、智能。在各种感官均已在交互中占有一席之地之后，脑机 接口将脑电波作为人机交互的新方式。我们认为，脑机接口将重新定义人机交互方式， 主要体现在1 ）高带宽；2 ）反应速度；3）扩大用户范围及应用场景。脑机接口,106（*）图表4:人机交互发展路径B

39、its/minia曾口Al 助手，104语音助手,5000触摸屏,1600键盘，1200Windows, 1000Punch card, 70g260一电脑时代一2017-VR/AR2025E手机时代注：假设脑机接口在2025年能够监测200个电极位置；资料来源：Columbia University, RATATYPE, 2019年世界机器人大会,未来多应用领域发展，市场规模快速增长根据Statists数据，2018年全球脑机接口规模约为1.25亿美元，2025年有望增长至2.83 亿美元，201825年CAGR为12%。此外，GV Research统计，2019年医疗仍为脑机接口 主要应用

40、方向，占比45%。军事应用占比为20%,主因美国国防部高级研究计划局（DARPA） 对脑机接口投入较大，并且该技术已经被美国军方用来训练士兵的认知和决策能力。图表5:全球脑机接口市场规模预测 图表6: 2019年脑机接口应用方向资料来源：sst/.ss,20%医疗 45%军事其他资料来源：Grand View Research,suon papjoooj Asn09UB=ns侬资料来源：MIT Technology Review,发展速度通信控制医疗健康智能家居安全保障 娱乐 科研资料来源：BNCI Horizon 2020,根据MIT计算,脑机接口目前以平均7.4年的时间能够将可同时记录的神

41、经元数量翻倍。 如果想要实现同时记录100万个神经元，则大约要等到2100年。但我们认为，脑机接口 根据应用领域不同，需要记录的神经元数量及脑部位置各不相同，记录部分神经元即可 实现脑机接口功能。止匕外，非侵入式接口可与肌电、眼电等信号组合分析，提升精确度。图表7:脑机接口 “摩尔定律”图表8:脑机接口各应用发展及市场规模（气泡代表2025年市场规模）脑机接口应用：侵入式接口多用于医疗领域，EEG+EMG提 升非侵入接口操作精准度推动应用多元发展应用场景#1 ：医疗方面的运动辅助及义肢控制运动神经受损导致日常动作无法执行，脑机接口重新恢复神经回路。由于脊髓损伤、肌 萎缩侧硬化或脑干中风，病人的

42、“大脑肌肉”神经通路被损坏，导致肌肉无法完成神经 指令。借助脑机接口搭建外部“神经通路”，病人能够直接控制设备辅助完成意向动作。结合脑电信号与肌电信号，脑机接口帮助用户实现运动辅助设备控制。借助EEG获取脑 电信号及EMG获取肌电信号，运动辅助系统能够对信号进行解码和分类，获得与意向动 作相匹配的控制指令，从而操控外部设备完成动作。由于EEG精确度较低，难以从脑电 信号获得精确的控制指令，该系统需要结合肌电信号，进行多维组合分析从而识别精确 的控制指令。应用场景多样化，多种电波组合提升精准度并减少训练时间。运动辅助系统一般需要结 合EEG和身体其他的生理信号，如EOG （眼电信号）、EMG （

43、肌电信号）等,分析后可获 得较高控制精度，并能够缩短辅助设备系统与用户的磨合训练时间。图表9: BCI协助运动辅助/恢复原理图表10: BQ机器设备协助恢复上肢运动功能大脑信号资料来源：Nature,Hybnd BCI control signal资料来源：Linkoping University,侵入式接口精确捕捉脑电信号控制义肢，帮助瘫痪病人完成部分日常功能。由于瘫痪的 病人无法传输肌电信号，只能依靠高精度的脑电波完成设备控制。因此，大多患者均使 用侵入式接口方案,如Uath array LFP （Local Field Potential）等。在2020年初,国内完 成了首例侵入式脑机接

44、口临床研究，浙江大学附属第二医院医生通过手术将Utah array 侵入式接口植入到病人控制右侧上肢运动的运动神经皮层。进过4个月的康复训练，病 人实现了用意念控制机械臂进食，并且能够完成喝水及日常娱乐等行为。图表11:8。义肢控制原理资料来源：臻泰科技,视必反缸资料来源：浙江大学,图表12:国内首例侵入式脑机接口临床实验应用场景#2 ：通过神经反馈训练强化大脑反应借助EEG设备对参与者进行神经反馈训练，强化某一频段脑电波达到增强反应目的。神 经反馈治疗是借助EEG设备采集大脑皮层各区域的脑电活动信号，通过分析参与者的脑 电信号并用视觉和听觉信号刺激进行正向反馈训练（给参与者带来心理期望结果，

45、一般 会产生愉悦感），选择性强化某一频段的脑电波以达到预期的治疗目的。脑机接口在军事领域也有应用，通过神经刺激训练缩短专业人员训练时间。美国国防部 高级研究计划局（DARPA）对脑机接口投入大量资源。在2011年，DARPA利用电极贴在 大脑皮层的特定位置上，释放少量电流，帮助学习者在短时间内快速提升学习效果。这 项成果已经被美国军方用来训练士兵的认知和决策能力，能够减少专业人员训练时间。图表13: BCI辅助神经功能治疗与调节or VideosNeurofeedback trains the brains ability to self-regulote by feeding back information on selected EEG rhythms relat