街头卖艺的残疾人可以用机械臂自如地弹吉他；女主角阿丽塔只有大脑保存完好，但在依德医生为她安装了机械肢体后，阿丽塔奇迹般地复活了。
这是最近上线的科幻电影《阿丽塔：战斗天使》中的情节。该片呈现了一个人机融合极为普遍的未来世界。其中形形色色的半机械人，都离不开脑机接口（Brain Computer Interface，简称BCI）的支撑——毕竟，离开大脑的指挥，功能再强大的机械肢体也难以动弹。
其实，脑机接口技术早已不属于纯科幻。尽管离《阿丽塔：战斗天使》中描绘的发展程度相差甚远，但现实生活中的脑机接口技术已开始崭露头角。
一种全新的人机交互方式
敲键盘是我们与计算机交互的主要方式，近几年兴起的语音交互是人工智能技术带来的新的交互可能。而脑机接口技术将再次带来全新的人机交互方式。
“脑机接口是让大脑和机器直接沟通的一种系统，它可以让人脑与机器互联，人机之间的信息传递或通讯控制会变得更加方便。” 中国科学院半导体研究所研究员王毅军在接受科技日报记者采访时说。
简单来说，就是可以靠直接提取大脑神经信号来控制外部设备。
“从技术上来说，脑机接口技术可分为侵入式和非侵入式两大类。”王毅军说。
在大脑中植入电极或芯片属于侵入式的脑机接口。人的大脑中有上千亿个神经元，通过植入电极，可以精准地监测到单个神经元的放电活动。这种方式的缺点是会对大脑造成一定损伤。
而头戴式的脑电帽则属于非侵入式的脑机接口，它主要是使用脑电帽上的电极从头皮上采集脑电信号。这种方式可以在头皮上监测到群体神经元的放电活动，缺点是不够精准。
其实早在半个世纪前，科学家就有了将大脑与机器连接起来的想法。只不过，相关技术一直不太成熟，脑机接口技术进展缓慢。直到2000年左右，脑电波检测等技术的重大进展，为脑机接口技术注入新的发展活力。
如今，脑机接口技术已成为科技大佬们关注的前沿技术。
美国太空探索技术公司（SpaceX）掌门人埃隆·马斯克就投资了一家名为“Neuralink”的脑机接口初创公司。脸书公司也于2017年透露，它拥有一支工程师团队研发脑机接口技术。该团队计划用光学成像设备每秒扫描大脑100次，从而实现让用户直接用意识打字。
相关研究应用已越来越多
“尽管与科幻电影相比，现实生活中的脑机接口技术仍处于早期发展阶段，但相关应用已经越来越多。” 博睿康是一家关注脑机接口技术的国内企业，该公司总经理黄肖山在接受科技日报记者采访时说。
医疗领域是脑机接口的主要用武之地。美国研究人员曾展示，利用脑机接口技术，使残障患者通过控制机械臂进行活动，比如拿起水杯喝水。
“但脑机接口不一定非要用来控制机械臂。”黄肖山介绍，这种技术目前还可以用来进行神经系统疾病的诊断和康复。比如，癫痫病人的大脑会出现某个区域的神经元异常放电，通过脑机接口技术检测到神经元异常放电后，可以对大脑进行相应的电刺激，从而减少癫痫发作。
王毅军表示，中风患者在失去肢体控制能力后，也可以通过脑机接口技术对患者的大脑运动皮层进行训练，帮助病人进行康复。
除医疗领域外，脑机接口技术目前还被用于航空航天、教育、娱乐等多个领域。例如，在航空航天领域，该技术可帮航天员用大脑更好地操控机械外壳，在特殊环境下执行任务；在教育领域，它能训练学生的注意力等。
最具吸引力的还是脑机接口技术的未来前景。“未来脑机接口的应用场景有哪些？可以想想我们平时用大脑做了哪些事情。”黄肖山说。
最根本的改变是，一旦大脑与计算机实现更好、更快地交互，人与人之间、人与计算机之间的交互效率将实现质的飞跃。
王毅军解释道，比如现在语言是人与人之间交流的重要方式，在说话前，大脑已编辑、形成相关信息，再通过控制肌肉运动将这些信息以语音的形式表达出来。这样通过语音对话进行交流的方式，效率很低。
“未来可以通过脑机接口实现生物智能与机器智能的融合，即脑机混合智能，使大脑与大脑之间，大脑与计算机之间直接进行信息沟通，信息沟通的效率将被大大提高，从而真正实现‘心想事成’和‘意念控制’。”王毅军说。
前景美好但存在发展瓶颈
尽管前景十分美好，现阶段脑机接口技术还存在很多尴尬的问题。
“以目前侵入式的脑机接口技术应用为例，在大脑中植入电极后，周围的胶质细胞会逐渐将电极包裹起来，电极监测到的神经元活动会越来越少。” 王毅军说，几年甚至几个月后，电极就完全监测不到神经元活动，如果需要再次使用，就得重新植入电极。而电极的植入不但会损伤大脑神经元，也会有感染的风险。
头戴式的脑电帽虽然不会损伤大脑，但每次使用时都需要洗干净头发，往脑电帽的电极中注入导电胶，操作起来十分麻烦。
抛开上述问题，脑机接口的应用效果也不是很理想。比如通过脑机接口操控的机械臂还很难像真人的肢体一样灵活。总体来说，脑机接口系统还缺乏安全、高效、成本又低的解决方案。
“脑机接口是一项综合性非常强的技术，涉及众多技术领域。”黄肖山说，正因如此，脑机接口的发展也受制于相关技术的成熟程度。
首先脑电信号的采集涉及到材料学，因为植入大脑的装置，十分容易造成人体感染，那么就需要改进材料技术去解决这一问题。
同时还需要精密电子电路技术，因为脑机接口需要采集神经元发出的信号，这些信号极其微弱。假如电路中的噪音稍大，就会影响脑电信号的采集。
人工智能也是脑机接口需要利用的一项基础技术。因为在采集大量脑电信号之后，需要训练人工智能系统，使其学会分析处理这些复杂的信号。
医疗技术更是不可或缺。正如影片《阿丽塔：战斗天使》中展示的，在到处都是半机械人的废铁城中，医生扮演着重要角色。现实中，脑机接口技术在医疗领域的应用也离不开相关医疗技术的精密配合。
“但最重要的方面是脑科学研究。因为只有知道大脑是怎么回事，了解大脑是如何运作的，才能更好地解读大脑生成的信息。”黄肖山说，目前对于诸如听觉和视觉等只涉及大脑局部区域的脑电信号，学界已了解得比较深入。但对于大脑高级功能产生的脑电信号，比如回忆、复杂情感等，学界目前对其了解程度还很有限。