脑芯片被植入人脑_放入人脑的芯片也卡脖子了？

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最近火出圈的芯片，有何特别之处？

来源 I 芯师爷

作者 I kiki

图片来源 I Unsplash

“这听起来很奇怪，但最终我们将实现与人工智能的共生。”在一次脑机接口演示中，马斯克曾缓缓道出脑机接口项目目标。

这一幕似乎正在实现。

北京时间2024年1月30日，马斯克在社交平台X宣布：昨天首例人类接受了脑机接口公司Neuralink的植入芯片，目前恢复良好。初步结果显示神经元尖峰检测（neuron spike detection）表现出良好的前景。

图源：X平台

在后续的平台状态中，马斯克补充介绍，脑机接口公司Neuralink首款产品名为“心灵感应”（Telepathy）。据马斯克描述，人类植入该芯片产品后，仅需意念就能控制手机或电脑，并通过它们控制几乎任何设备，产品的初始用户将是那些失去肢体功能的患者。

以Neuralink为代表的植入式脑机接口赛道，凭借其自带的“黑科技”色彩，再加上马斯克超级流量加持，是近年来科技界的热门赛道。在该赛道中，芯片充当何种角色？国内发展现状如何？

01

脑机接口芯片是个啥？

脑机接口（Brain-Computer Interface，简称：BCI 或 Brain-Machine Interface，BMI），指在人或动物大脑与外部设备之间创建的直接连接，实现脑与设备的信息交换。脑机接口是一种测量中枢神经系统活动并将其转换为替代、恢复、增强、 补充或改善自然中枢神经系统输出的系统，以改变中枢神经系统与其外部/内部 环境正在进行的交互。

脑机接口系统逻辑 图源：36氪Pro

脑机接口技术因接口方式不同可分为非侵入式、侵入式、半侵入式三种类型。马斯克今天官宣的“植入式”，类型上属于侵入式脑机接口。

植入式的脑机接口芯片（以下简称：BCI 芯片）当前朝着一体化发展并伴随着数据收集和传输协议，在小型化、高通量和多模态上有很高的要求。Neuralink官网信息显示，脑机接口项目主要操作手术流程将由机器人“R1”在人脑打个孔，将“硬币”一样的“N1”芯片植入大脑区域。

植入物“N1”只有一枚硬币大小，内部小型电池可以通过一个袖珍的感应式充电器从外部无线充电。其中芯片部件包括先进、定制的低功耗模拟芯片，主要负责处理电子设备神经信号的芯片，以及负责将信号传输至Neuralink应用程序，并对相关数据流解码为动作和意图。

图源：Neuralink

机器人“R1”的关键部分则在于头部和针状物，头部包含的半导体产品有5个摄像系统的光学器件和传感器，以及光学元件。

图源：Neuralink

从技术角度来看，机器人“R1”涉及的芯片在医疗设备中有成熟的应用，植入物“N1”涉及的BCI芯片是重头戏。

在整个脑机接口系统中，BCI 芯片承担重要的信息采集、信号预处理、特征提取、分类识别等步骤，涵盖模拟、数字、通信多种功能，是系统中关键一环。BCI 芯片主要承担的职责是将脑信号直接转化为数字信号、脑信号读取与解码，是脑部疾病诊断与调控所依赖的工具。

从应用场景来区分，BCI 芯片主要有两种方案——通用方案和专用 ASIC （Application-Specific Integrated Circuit，专用）方案。通用方案适用于多种应用场景，而专用 ASIC 方案则针对特定的应用场景进行设计，因此具有更高的性能和功耗优化。

两种芯片的供应商有明显的区别。由于全球脑机接口产业链发展还处于初期阶段，其上游设备尚未实现标准化量产，自研 BCI 芯片和算法还有较高的技术壁垒，因此通用方案通常出自传统的模拟芯片供应商，当前主要以TI、ST、AMD等国际大厂为主。

而专用 ASIC 方案领域的研发活跃者是新兴的脑机接口企业、高校研究或实验室。以下为部分BCI 专用芯片的国内外供应商。

01 Neuralink

2015 年创 立 ，2016 年马斯克 将其收购。专注于研究侵入式脑机接口，旨在开发能够将人工智能植入人类大脑皮层 的脑机接口技术。

主要产品

Neuralink 在 2019 年推出了自主研发的N1 脑部传感器芯片，该芯片可以将细胞膜表面电位记录下来，并通过滤波等处理将其转化为数字信号。

02 NeuroSky

2004 年成立于美国圣何塞， 拥有国际领先的生物信号传感技术。主要研究和开发生物信号采集处理、 脑机接口等领域的技术。

主要产品

NeuroSky的ThinkGear技术将采集、滤波、放大、A/D转换、数据处理和分析等脑电波信号的功能完全集成到一个 ASIC 芯片 中。

03 中电云脑（天 津）科技有限公司

2018 年成立于天津，是中国电子信息产业集团与天津大学合 作，共同打造国家健康医疗大数据云脑中心。

主要产品

在 2019年，开发了一款名为“脑语者”的高度集成的脑机交互芯片。

2023年8月，中电云脑重磅发布基于PKS的国产化脑机交互信号采集系统“天谷”V1.0。该脑机产品是由中电云脑、脑机交互与人机共融海河实验室、天津大学合作研发的，为满足脑机交互领域医疗、科研与教学需要，面向EEG、ECG等神经电生理信号采集与计算应用，构建的生理信号的采集、处理、传输系统一体化系统。该产品同时成功与“飞腾CPU芯片+银河麒麟桌面操作系统”组合实现兼容性测试与认证，对推动“全产业链、全环节”国产化进程、有效填补脑机交互领域产业链空白具有很强的现实意义。

04 NeuraMatrix

成立于2019年，清华大学孵化企业，开发新一代脑机接口平台，包括以下方面：设计脑机接口芯片、开发系统化设备以及打造软硬一体化平台。

主要产品

NeuraMatrix 已经完成了几轮迭代，2023年初曾有公开报道，NeuraMatrix 自主研发的脑机接口芯片已经流片完成，预计在2023年下半年量产出货。NeuraMatrix对标Neuralink，目前可做到产品系统功耗降低一个数量级，从而缩小电池体积，实现整机体积大幅减小。此外，NeuraMatrix的无线传输采用医用频段而非蓝牙，使产品采集的脑电数据传输量更大，并可以“无缝对接”医疗器械，已形成样机并投入科研室使用。

05 脑机交互与人机共融海河实验室

该实验室成立于2023年，由天津市政府主导，天津大学牵头，联合中电云脑、海河产业基金等10余家优势单位共建而成，集聚了脑机交互与人机共融领域高层次人才。该实验室重点面向医工结合等国家重大领域的工程应用，以脑机交互与人机共融为核心主线，设立新型神经信号感知理论与检测方法、仿生组织工程神经、新一代高通量脑机交互关键技术和人机共融基础核心器件开发转化等四个方向。旨在实现从微观到宏观、从科学到工程、从原理到技术开展全领域、全尺度研究，形成完整的自主知识产权集群，脑机交互全技术链条覆盖。

主要产品

2023年10月27日，脑机交互与人机共融海河实验室、中国电子信息产业集团联合研发的新一代8通道脑电采集国产芯片研发成功。该芯片拥有完全自主知识产权，可面向非侵入式脑机接口与多模态神经电生理装备，广泛应用于智慧医疗、航空航天、人机交互、游戏娱乐等场景，并进行成果转化。

02

脑机接口芯片的“卡脖子”之忧

值得注意的是，从以上的活跃的BCI 芯片中，我们虽然能看到国内企业活跃的身影，我国也已经将脑机接口技术的发展上升为国家战略，但实际上，在国内市场上，脑机接口产业链发展还不够完善，芯片环节发展也较为薄弱。

国内在BCI 芯片领域的发展一直受到国外技术的制约。尤其是在脑电采集芯片方面，我国一直依赖进口产品，这无疑阻碍了我国在相关领域的发展。

美国是最早提出脑科学计划及其行业发展规划的国家，也是政府资金投入最多，技术发展水平最高的国家。在全球范围内，美国在脑机接口的理论、方法和实践方面具有明显的领先优势。

美国有意以政策形式保持其在脑机接口领域的技术优势。2021年 10 月 26 日，美国商务部工业和安全局（BIS）出台新规，拟向出口管理条例中进一步明确新的管制项目，其中就包括脑机接口技术。2023年2月，美国商务部官员再次重提脑机接口技术禁运事宜。若美方加强对脑机接口技术的出口管制，国内当前在该领域的发展必然受到不利影响。

至于美方限制脑机接口技术的出口的原因，究其根本，或与脑机接口技术的“军民两用”性相关。具体来看，脑机接口有5大应用场景：

1. 提供信息增强技术

简单来说，可以为那些瘫痪或有其他严重运动缺陷的人提供新的通信增强技术。2022年Nature Communications上的一篇研究就借助能读取大脑信号的植入式脑机接口，使一位罹患渐冻症的男子选择字母，组成通顺的句子，完成日常交流。

2. 康复训练

通过脑机接口技术，监测到的脑电信息可以用于加工、反馈，针对多动症、中风、抑郁症等做对应的恢复训练。例如，对于运动皮层相关部位受损的中风病人，脑机接口可以从受损的皮层区采集信号，其次刺激失能肌肉或控制矫形器，改善手臂运动；运动想象类脑机接口可以用于孤独症儿童的康复训练，提升他们对于感觉运动皮层激活程度的自我控制能力，从而改善孤独症的症状，亦可以通过脑电信号的反馈，训练使用者的专注力。

3. 脑科学研究与脑功能诊断

脑机接口，可以帮助研究人类大脑的认知、运动、情感等方面的机制，深入探究人类大脑的奥秘。 例如脑机接口可以帮助实时监控和测量神经系统状态，辅助临床判读。“监测”型脑机接口应用方向十分多样，包括测量视/听觉障碍患者神经通路状态协助医生定位病因，评测陷入深度昏迷患者的意识等级等等。除此之外，通过结合脑电、视频等多元信息进行诊疗，能够辅助医生判读脑损伤、脑发育等多种临床适应症。

4. 人机交互

通过脑机接口技术，可以实现更加智能的人机交互，如控制家用电器、智能机器人、VR设备等等。

5. 特殊领域

脑机接口技术可以用于军用领域，如控制无人机等。

前三大应用场景指向医疗用途，目前国内已经有成熟应用案例，是患者福音；但后两者的应用场景指向设备控制，容易有敏感用途联想。

在此背景下，国内加强脑机接口技术核心零部件的国产化率势在必行。不过正如前文所提及，BCI 芯片的设计涵盖了模拟、数字、通信等多种功能，其技术门槛在于模拟电路设计挑战大、低功耗要求高，且具备无线能量传输、以及芯片算法等软硬件相结合的技术能力。而我国当前在高端模拟芯片领域并无技术和人才优势，发展脑机接口技术还需长期耕耘。

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