腦機介面新突破!科技讀心術:只需「想像寫字」即可轉譯出真實文字

如同《黑鏡》一般的讀心術!受試者只要想像「握筆寫字」,即可透過植入物轉譯出你要寫的文字。
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還記得前陣子馬斯克的大腦晶片新創 Neuralink 才剛發表過猴子用意念打電動的影片嗎?這次輪到學術界帶給大眾驚喜,科學期刊 Nature 於本週發表一篇相當有趣的人機介面互動研究,利用人腦植入物作為媒介,全身癱瘓的病患可憑藉「想像寫字」來輸出真正的文字,每分鐘約可寫出 90 個英文字母,非常驚人。

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想像力就是你的超能力

先前也有相關的研究及臨床實驗,利用腦機介面技術讓癱瘓者可以打字,並且嘗試如傳送訊息、線上購物的活動。雖然有效,但缺點就是過程緩慢,需要使用者全神貫注地讓眼動儀追蹤其脈衝,並且也需要使用者花費時間來學習如何控制系統。

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於是,科學家開始嘗試別的辦法來幫助癱瘓者傳達意念。研究發現,在人腦執掌書寫思維的區域,會在書寫時產生對特定文字的意念,而這也許可以利用植入物來追蹤,再將此電流訊號轉譯成真實世界的文字。但很快就遇到研究瓶頸:這個意念很難被目前的科學方式所理解。

然而,天無絕人之路。研究團隊發現,在這個意念變成實際動作(書寫)前,此電流訊號會先被傳輸到運動皮質,並在那裏被大腦轉譯成肌肉動作,因此推測在運動皮質所掌握到的意念脈衝,信號較為清晰、不模糊,更容易被科學技術給理解,成為研究團隊的新目標。

研究人員在癱瘓者的前運動皮質(premotor cortex)處放入兩個植入物,用來捕捉寫字動作的意念。實驗中,受試者被要求想像在紙上寫字的感覺,並且透過植入物記錄這時的神經活動狀態。

實驗結果

研究人員放了 200 個電極進入受試者的前運動皮層,雖然不是所有意念都能成功被轉譯出來,但也非無功而返。團隊以主成分分析(Principal components analysis,PCA)方法,解構想像寫每個字母時的神經活動特徵,並將其轉譯成二維圖(two-dimensional plot)。結果發現,肉眼上看起來比較相似的字母,例如 p、b、h 及 n、r,會產生彼此靠近的群體,讓人難以分辨。

總而言之,在這次的實驗中,研究人員可在 94% 的準確度中來解密受試者所書寫的文字。雖然系統的分析較為緩慢。為了讓書寫文字可以被即時辨認,研究人員訓練了一套遞歸神經網絡(recurrent neural network)來分析每個字母。

目前這套系統可處理的數據量一次約為 242 個字母,雖然處理量不大,但運作效率良好,從受試者想像到字母轉譯在螢幕上僅需半秒鐘的時間,讓溝通效率大大提升。受試者可以在每分鐘產出 90 個字母,超過過去技術約每分鐘 25 個字母的速度。而轉譯出錯率約為 5%,經過系統自動修正潤飾後,可將錯誤率降低至僅 1%,相當厲害。

但前面書寫測試所使用的句子,都是由研究員設計好,並請受試者「想像」的。而實驗第二階段,研究人員請受試者自由回答問題之答案,「邊想邊寫」的狀況則會讓速度下降至每分鐘 75 個字母,自動更正後錯誤率為 2%,表現仍不錯。

科學家:連原型都還稱不上,大家還要再等等

「它還不是一個完整的、可在臨床上可行的系統。」研究團隊表示。

由於目前的受試者數量僅一人,因此無法得知這套解釋系統是否能夠通用在所有人的腦內脈衝上。此外,實驗中所使用的字符還不包含數字、大寫字母與標點符號,並且神經元恐會因微小偏移等多種因素產生誤差,因此每周至少要進行一次的系統校正,以保持穩定的低錯誤率。

雖然還有這麼多的難關尚須突破,但和以前的腦機介面技術相比,這套新的系統擁有溝通上的速度提升、準確性佳,並且癱瘓者也無需像以前一般全神貫注在「寫字」上,就如同一般人也能邊寫字邊和其他人聊天一樣,需要的注意力較少。另外,上述提到的「字母太像導致系統搞錯」的問題,也可以用研究團隊特別設計的替代字母來解決,這之中仍有許多的發展潛力。

此系統的商用普及化並非馬上就能實行,但也透過實驗結果告訴大眾更多腦機介面的潛力與應用,讓人類又往「黑鏡」般的世界靠攏了一些。

核稿編輯:Anny

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運動科技為近年運動產業顯學,現在賽場上,不僅較勁各選手的體力及技術,更考驗各國科學技術導入,輔佐選手的程度。有效運用運動科技,不僅可避免傷害外,更能提升訓練品質,提升選手佳績。
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今年 8 月剛落幕的 2020 東京奧運,台灣選手獲得 2 金 4 銀 6 銅的 12 面獎牌,不僅寫下史上最佳參賽成績,且分別在 10 種不同項目奪牌,令各界大為驚艷。近年健康意識抬頭,下班後會自發去運動的人越來越多,種種現象顯示著台灣的運動風氣已逐漸成熟,而運動科技正是背後的隱形推手。

科技部致力推動產學界合作,結合運動科學、智慧科技與數據分析,輔助選手精準練習,用最有效率的方式提升表現,讓運動訓練不再是土法煉鋼。運動科技的應用也能幫助一般人,在日常生活中更聰明更健康的做運動。由於商機龐大,運動科技早已成為各國在運動競技賽事與產業發展積極佈局的新型態競爭場域,一起來看看它為台灣體育帶來了什麼樣的改變吧!

透過科技幫助運動選手了解自身狀態,穩扎穩打求進步

年僅 19 歲的跆拳道選手羅嘉翎,首戰奧運便打敗多國好手,一舉拿下銅牌。從小在道館長大,幼稚園就跟著爸爸、哥哥練習跆拳道,小學開始在國內比賽嶄露頭角,國二首次參加青少年國際賽事後更不斷奪金。然而,初生之犢的她,卻是好不容易才站上奧運這個舞台。

「小時候的確身高有優勢,但剛轉去成人組時還滿挫折的」,帶著青少年時期的亮眼成績,羅嘉翎在高一下加入跆拳道國家隊,被延攬至國家運動訓練中心(以下簡稱:國訓中心)接受國手培訓,「裡面都是大學的學長姐,訓練強度很高,剛進去時很不適應,那段時間比賽成績也不理想,晚上都會打電話給媽媽哭訴。」

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羅嘉翎分享,國訓中心的訓練方式很有系統,除了完備的訓練器材,還會透過科學儀器評估選手的運動表現,也定期使用生化檢測儀器,每月至少1次檢測疲勞度與血氧量,維護選手的身體健康。

「運動科技可以幫助我了解自己現在的狀態,還有需要加強哪些地方」,羅嘉翎表示,選手的日常就是不斷練習、調整好狀態,透過數據分析可以清楚知道自己的強弱項,「像我需要加強肌力,這樣訓練有方向,進步也會比較穩。」

沒有因挫折放棄跆拳道,羅嘉翎持續在國訓中心自我精進,再加上慢慢調整心態,她逐漸適應了高強度的訓練,也找回了享受比賽的初衷。

事實上,台灣自 2012 倫敦奧運以來,就沒有在跆拳道項目拿過獎牌,羅嘉翎也坦承因此感受到不小的壓力,「拿到奧運資格時我爆哭,但我不是被看好奪牌的選手,就想說放鬆去打。」沒想到放下得失心,反而幫助自己贏得了銅牌的好成績。

國立體育大學技擊運動技術學系副教授王翔星分享,針對跆拳道選手的檢測主要有3方面,包括以「線性位移偵測器」檢測選手連續 3 次跳躍的爆發力與穩定度,評估賽場上攻擊動作的力量輸出率;以及透過「測力板」檢測 50 毫秒發力率( RFD,Rate  of Force Development ),以觀察選手腳蹬地出發與踢擊到對手瞬間的力量表現;還有「慣性感應器」則是用來檢測選手的反應能力與速度。

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王翔星也表示,培育一名優秀的選手相當不容易,這幾年開始將運動科技帶進國、高中,就是希望能讓年輕選手儘早接觸到運動科技的專業訓練觀念,避免選手在早期生涯就受到嚴重的運動傷害而留下遺憾,未來能夠更上一層樓。

產業跨界結合,讓運動科技深入全民健康生活

目前 5G 正式邁入商業化,宅經濟當道,運動科技的應用也有了更多可能性。「台灣科技業的研發能量強大,運動產業也很有國際競爭力,我認為應該能結合兩者的強項來解決許多問題,例如居家健身沒人指導,該怎樣才不會受傷。」國立臺灣師範大學運動競技學系研究講座教授相子元表示。

相子元主修生物力學出身,被譽為台灣運動科技教父,同時擔任國訓中心運動科學小組總召集人。他很早就投入運動科技與產業結合的研究,作為科技部「精準運動科學研究專案計畫」的執行團隊之一,目前團隊已開發出將壓力感測科技應用於智慧鞋、科技運動襪、機能衣、自行車功率表等產品。

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相子元認為,運動科技商品在亞洲市場很有潛力,目前台灣主要發展在 3 大面向:競技運動,如跆拳道、舉重、射箭;職業運動,如棒球、籃球;全民運動,如自行車、慢跑等。舉例來說, LPS(Local Positioning System ,局部定位系統)運用在團隊運動的訓練上,能讓教練、選手清楚知道跑位陣式,取代傳統手寫戰術,目前 NBA 美國職籃、國際足總FIFA的隊伍也都採用此技術。

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台灣選手在東奧打出亮眼成績值得喝采,相子元期待未來運動科技能協助更多選手精準運動、達到更好的表現,放眼 2024 巴黎奧運,並幫助更多人養成規律運動的習慣。接下來行政院主辦的「台灣運動x科技產業策略( SRB )會議」也即將登場,希望加深運動與科技產業的對話交流,讓運動科技越來越深入全民的生活。

SRB策略會議暫擬4大議題:

  1. 運動×科技產業升級創造新價值
  2. 智慧育樂創新服務建立營運新模式
  3. 融合科研成果與創新科技發展智慧新應用
  4. 台灣智慧育樂跨域環境整備

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