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| 資策會MIC資深產業顧問吳顯東 |
腦機介面(Brain Computer Interface, BCI)是利用腦波操控設備的使用者介面，早期主要用來研究如何透過腦波協助癱瘓病患操控電腦或機械手臂以改善其生活品質。但近年來，隨著非侵入式偵測技術的成熟，以及無線通訊設備微小化，這項技術已經逐漸從醫學研究轉到消費市場，應用在運動員訓練、教育學習、遊戲與設備操控。
以腦波操控電子設備
人類能否直接利用意念操控周遭設施，一直是科學家研究的議題。資通訊科技雖已融入人們的生活，但仍有很多場合並不適合用手操控資通訊設備，例如開車時；那麼我們是否能像科幻小說一樣，直接利用腦波來操控？這種利用腦波操控設備的使用者介面就稱作腦機介面。
腦是由眾多神經細胞組成，當大腦運作時，這些神經細胞會不斷放電，而眾多腦神經細胞放電的結果，讓科學家們可以利用儀器偵測到微弱的電磁波。科學家發現，這些電磁波的模式會因為人本身的精神狀態或意念而產生變化，因此若能明確區分出人本身不同精神狀態或意念所對應的電磁波模式，就可以用腦直接控制外部的裝置。
科學家可以利用電極測得微弱的腦波訊號，並經放大後記錄這些腦波圖形，即稱為腦電圖(Electroencephalography, EEG)。由於人腦被腦殼包覆，本來在腦殼外的電極片所能接收到的腦波訊號就已經非常微弱，再加上外部環境噪音與電氣雜訊等干擾，因此很難清楚辨別腦波細微內容，只能有個粗略的樣貌。
三種腦波偵測方法
腦波偵測方式可分成侵入式、部分侵入式和非侵入式三種。侵入式方法係將電極植入到大腦的灰質，可以獲取高品質的腦神經訊號，但缺點是容易引發免疫反應或愈傷組織(結疤)活動，導致訊號品質日漸衰退甚至消失。
部分侵入式方法則係將電極植入顱腔內；在灰質外面，所能偵測到的訊號較侵入式差，但優於非侵入式，而且也不會引發免疫反應和愈傷組織活動。
侵入式和部分侵入式方法雖然可以蒐集細微的腦波訊號，可以解讀出更多的模式，讓腦機介面可以進行更精確、更複雜的操控，但由於必須動手術把電極片植入腦內，因此目前還僅是用在少量的醫學實驗，主要用來研究如何協助腦部活動正常但身體癱瘓的病人，可以藉由大腦操控電腦或機械手臂改善其生活品質。
非侵入式方法則在頭上塗上可加強腦波訊號接收的導電膠後，接上電極片直接偵測腦波訊號。雖然所能得到的訊號品質有限，就好像在球場外頭的路人一樣，但可直接佩戴在頭上，不用動手術，比較適合一般的應用。
非侵入式感測腦波種類
目前透過非侵入式方法，以腦電圖為基礎的腦波偵測技術，可偵測到的腦波訊號可分成三大類，感覺動作所產生的腦波(Sensorimotor Rhythms, SMRs)、因為視覺受到刺激所產生的腦波(Visual Evoked Potentials, VEPs)和人在不同情緒狀態所產生不同的腦波模式。
SMR類的腦波必須經過一段訓練才能產生較準確可預期的腦波模式。當大腦對身體下達命令時(例如握緊拳頭、放鬆拳頭、上移、放下、旋轉等意念)會產生相對應的腦波綜合訊號，藉由腦電圖解讀找出這些特定模式，就能了解大腦意念，進而轉換成控制訊號，操控周邊裝置或電腦中的角色。
VEP類的腦波則必須有外界的刺激光源才會產生，又稱作誘發腦波或被動式腦波，例如P100(λ波)和P300。人腦無法靠意念主動產生，但仍可以運用在特定的腦波控制應用。
不須訓練且能主動產生的只有第三類的情緒腦波，主要種類有δ、θ、α、β波(表1)。
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δ波於深度睡眠時才會產生，只適用於睡眠研究，不適合腦機介面應用，α、β、θ腦波則因為可以藉由集中精神和放鬆的控制產生，是目前最常用在腦機介面的腦波。
由於我們無法既放鬆又激動，因此若僅靠這幾種腦波，能組合出的控制命令數目有限，也局限了腦機介面的應用空間。
為了增加控制能力，業者常佐以其他偵測方法，例如偵測臉部肌肉因為動作而產生電流的肌動電流圖(Electromyogram, EMG)或偵測眼球運動的眼電圖(Electrooculogram, EOG)，組合這些不同的動作，就可以得到更多的操控指令數目。
腦機介面應用趨多元
非侵入式腦機介面雖然功能有限，但仍有不少應用空間，如運動訓練、教育、遊戲、電腦人機介面等。例如運動訓練方面，美國國家射箭隊透過腦波偵測器量測運動員精神狀態，並找出最適合放箭的時機。教育學習方面，透過腦波偵測器，可以得知教材或教授方式的編排是否足以吸引學生的注意力。
遊戲方面，目前有一些腦波操控的玩具於推出時受到大眾的喜愛，例如美國Mattel的Mindflex、日本Neurowear的Necomimi等；另外，腦波偵測器廠商都會開發遊戲，讓使用者透過集中精神或放鬆精神來進行遊戲競賽，也藉此學習如何培養專注力。
也有不少廠商正嘗試開發運用腦波操控電腦設備或機器，例如三星(Samsung)新興技術實驗室的研究人員正在測試用腦波來操作平板電腦；日本的本田(Honda)、NEC、島津製作所正合作運用腦波控制由Honda開發的Asimo機器人；明尼蘇達大學用腦波控制直升機穿越障礙也是其中一種應用實例。
關鍵廠商目前進展
神念科技(NeuroSky)
以往非侵入式腦波偵測器為了提高訊號接收能力，必須先於頭上塗上導電膠後，再貼上十數個到數十個電極片，使用前後均相當的不便。神念科技於2008年開發出不須塗導電膠的乾式腦波偵測器，並研發出雜訊過濾技術，可以過濾包括肌肉、脈搏、電氣設備、電網的干擾雜訊和周遭的環境雜訊等，使得原本使用不便的腦波偵測器變得更為方便，也可以在吵雜的環境中使用。
神念科技除了提供自行發展的腦波偵測器及應用軟體外，也提供特定應用積體電路(ASIC)晶片的腦機介面模組，可以讓其他廠商開發特殊應用。例如日本Neurowear所開發出而引起廣大話題的Necomimi(貓耳朵)即是採用神念科技的腦機介面晶片組。該帶在頭上的貓耳朵會隨著佩戴者的情緒而產生變化，放鬆時耳朵下垂，緊張或專注時耳朵豎起等。此外，2009年聖誕節在美國熱賣數十萬套，由Mattel推出的Mindflex腦波控制玩具也是使用神念科技的解決方案。
Interactive Productline
Interactive Productline是一家瑞典公司，成立於2002年，是第一家把複雜、腦神經研究用的腦波偵測器做成大眾消費市場用的產品。其產品是搭配腦波偵測器的設備或遊戲，讓使用者學習如何放鬆與訓練專注力。
例如Mindball Game讓兩個遊戲參與者彼此競賽，看誰能比對手更放鬆，而將球送至得分區而獲勝。Mindball Trainer則是藉由放鬆與專注，把球送至得分區，藉由遊戲效果，學習放鬆和專注力。
另外，Interactive Productline也有Mindmove Integrated設備，提供腦波偵測器及偵測結果輸出，並提供介面及軟體，可供用戶自行開發各種應用。
腦波技術仍待市場考驗
腦機介面技術雖然已經商業化，但所能發揮的空間仍有限，主要問題有三：首先，從腦電圖得到而可充當控制用的資訊不多，無法進行複雜的控制，必須佐以其他身體動作，例如臉部表情、眼球轉動，甚至加上陀螺儀才能得到夠多的控制組合，也因此使用上必須先經過學習階段，失掉腦波控制直覺、「心想事成」的理想。
其次，腦電圖不夠精準，很容易受外在環境的影響而失真，因此無法進行重要或需要精準度的操控應用。
最後，則是缺少殺手級應用，目前的應用雖有趣，但卻不是生活上必需的，勉強說得上的應只有防疲累駕駛的應用是比較具生活實用性。
因此腦機介面未來是否能在與其他人機介面技術如語音、手勢等競爭中脫穎而出，端視我們對人腦運作是否能有更進一步的了解，偵測腦波或人腦資訊的技術是否能更精準，而這方面隨著美國總統歐巴馬的宣示，已經漸露曙光。
美國歐巴馬總統於2013年2月發表的國情咨文中表示他將啟動一項為期10年，名為「人腦活動圖」(Brain Activity Map, BAM)的計畫，每年將投資3億美元繪製全面的人腦活動圖，就好像目前科學家正努力替人體基因定序一樣，全面了解人腦的活動方式，解開大腦運作祕密，進而尋找治療阿茲海默症及其他腦病變的方法。
隨著BAM計畫的進展，我們未來將能更了解人腦活動及伴隨的腦波模式，對腦機介面技術發展會有很大的助益，能更細膩的操控資訊設備，因此BAM計畫後續進展值得持續關注。
