说说最近流行的脑机芯片

近日，马斯克旗下的脑机接口初创公司Neuralink发布了最新的脑机接口进展，引起了轰动。在Neuralink公布的最新进展中，在猪体内植入了脑机接口芯片，可以实时读取猪脑的信号，然后希望植入的大脑活动可以根据这些信号实时分析对象。凭借脑机接口技术的巨大想象空间，未来有望应用于医疗乃至人体增强等领域。

脑机接口芯片

事实上，芯片在脑机接口中有着极其重要的地位。去年 7 月，Neuralink 第一次发布会的主角是自主研发的 N1 脑传感器芯片。具体来说说脑机接口中的芯片。

一般来说，脑机接口可以分为两类：植入式和非植入式。从可以实现的功能和芯片的重要性来看，植入式脑机接口远强于非植入式脑机接口。所以我们这里讨论的脑机接口和芯片主要是指植入式脑机接口。芯片在机器界面。

在植入式脑机接口中，芯片的主要功能包括数据读出和大脑刺激。此外，还需要无线传输来保证与外界的便捷通信。

数据读出的过程主要是指脑机接口从大脑特定区域读取信号，并在芯片上进行一系列的初步处理，包括滤波。芯片上做多少信号处理，片外传输多少信号取决于整个芯片的设计考虑。例如，对于一些需要快速响应的脑机接口芯片（如检测癫痫和快速干预），需要在芯片上实现尽可能多的处理，以满足时延要求。另外，芯片处理的信号的数据量通常小于原始信号的数据量，因此片上处理部分和脑机接口的无线数据传输部分是一对重要的权衡取舍对象：片上处理越简单，相关电路的逻辑面积和功能就越高。功耗越小，需要无线传输的数据量越大，无线传输部分的功耗压力就越大；相反，信号处理越复杂，功耗和面积越大，但数据传输部分可能会更简单。一些。但数据传输部分可能更简单。一些。但数据传输部分可能更简单。一些。

功能上，除了数据读出，脑机接口的另一个重要功能模块是激励信号部分。信号激发是指脑机接口以合适的方式向大脑施加信号。根据应用，信号可以是电压信号、光信号或其他信号。

最后，脑机接口中的无线数据传输也很重要，因为脑机接口需要与外界有数据接口，进行数据传输和控制。Neuralink第一代脑机接口原型采用有线数据传输，而今年的原型传感器采用的是基于蓝牙的无线传输，可见无线传输对于植入式脑机接口的重要性（毕竟植入物我不不想让一堆线一直在我的脑后运行）。

脑机接口芯片的应用

脑机接口和芯片目前虽然看起来很科幻，但其实有着非常实际的应用，而且这些应用主要集中在医疗领域。

在脑机接口的主要应用中，芯片主要作为神经信号读出-实时激励-数据记录读出的闭环。例如，目前学术界大量的脑机接口芯片正专注于癫痫的治疗。在这样的应用中，脑机接口芯片的数据读出需要能够实时监测和读取脑信号，当检测到脑信号出现癫痫征兆时，脑机信号界面立即受到刺激，产生癫痫和癫痫信号。与疾病异常电压信号相反的信号，从而抵消癫痫疾病产生的异常信号，起到实时干预的作用。

闭环脑机接口的另一个例子是瘫痪病人的康复。植入的脑机接口芯片一方面可以读出患者大脑行走的控制信号，另一方面可以根据读出的信号向患者的脊柱施加相应的信号，使患者训练后可以恢复行走。能力。

除了包括读出和激励的闭环系统外，一些脑机接口只使用读出部分或只使用激励信号部分。仅使用激励信号的一个例子是Argus II系列生物眼，它在眼睛的视神经上植入激励信号系统和无线信号传输系统，并利用外置眼镜上的视觉传感器来捕捉外界环境画面，而图像被转换成相应的视神经信号传递给植入的激励信号系统，激励信号系统施加相应的信号激励，从而实现视力障碍患者恢复视力的能力。该系统几年前已通过临床试验并获得FDA认证。

脑机接口芯片技术难点

上面已经介绍了脑机接口的常规元件和应用，那么脑机接口芯片技术的难点是什么？

首先，从读出部分来看，最难的部分是如何以极低的功耗实现低噪声和低输入失调。脑信号的幅度通常很小，在微伏级别，因此需要保证读出放大器的噪声和输入偏移小于脑信号的幅度，才能实现高质量的脑信号读出。这对模拟电路的设计是一个巨大的挑战，尤其是在功耗受限的情况下。事实上，Neuralink N1芯片的主要指标之一也是噪声，这也印证了这个指标的难度和重要性。

其次，低功耗也是脑机芯片的核心难点。众所周知，植入的脑机接口芯片必须保证续航。毕竟，没有人愿意每隔几年就进行一次更换电池的手术。低功耗设计可以分为两个部分，即电路模块的低功耗设计和电源管理。电路模块设计需要使用各种低功耗设计技术来保证单通道的平均功耗在微瓦量级，而从另一个角度降低模块功耗往往意味着高噪声，那么如何平衡功耗和噪音？取舍是脑机接口芯片设计的核心点。低功耗设计的另一个方面是电源管理。高效的电源管理模块可以减少电池能量的浪费，延长电池寿命。此外，电源管理还包括无线能量传输等新技术，可以让脑机接口芯片通过感应耦合从外界获取能量，从而实现脑机接口模块的非接触式充电功能。 . 总的来说，脑机接口的低噪声和电源管理是核心难点，也是当前脑机接口研发的重点方向。可以让脑机接口芯片通过电感耦合从外界获取能量，从而实现脑机接口模块的非接触充电功能。总的来说，脑机接口的低噪声和电源管理是核心难点，也是当前脑机接口研发的重点方向。可以让脑机接口芯片通过电感耦合从外界获取能量，从而实现脑机接口模块的非接触充电功能。总的来说脑机接口最新进展，脑机接口的低噪声和电源管理是核心难点，也是当前脑机接口研发的重点方向。

脑机接口芯片的全球竞争格局

美国目前是脑机接口芯片的领导者。在学术研究领域，每年在ISSCC等顶级芯片会议上发表脑机接口相关论文的作者主要来自美国。在商业化方面，马斯克的Neuralink也是全球脑机接口芯片和系统的领导者之一。

在脑机接口领域，中国的研发实力近年来也在快速提升。如清华大学王志华教授、东南大学王志功教授在这一领域做出了突出贡献脑机接口最新进展，他们发表的论文也得到了全球同行的认可。在商业化领域，Neuramatrix等本土团队也在做相关努力。应该说，中国的脑机接口芯片研究在低噪声、低功耗设计（包括放大器、无线充电模块等）方面已经达到了世界最佳水平，关键在于系统完整性和交叉学科研究。从系统完整性的角度来看，Neuralink' s N1 传感器直接针对具有集成放大器前端和片上信号处理的完整系统。只有这样完整的系统，系统才能真正实用。同时，系统设计中的诸多挑战和技术壁垒，只有真正做到了才能理解。此外，脑机接口原本是跨越芯片设计、神经科学和生物学的跨学科技术。目前国外同行已经在设计下一代生物神经技术的脑机接口（比如基于光遗传学的脑机接口），对此我也希望中国从业者不要局限于自己的领域，而是积极实现交叉学科的全面发展，