【明東事跡】
“看到自己的科研成果能幫助更多有需要的人，是一件特別幸福、特別酷的事情，這也是我的職業(yè)最讓我著迷的地方。”——明東
2016年11月18日，神舟十一號飛船返回艙在我國內(nèi)蒙古中部預(yù)定區(qū)域成功著陸，天宮二號與神舟十一號載人飛行任務(wù)取得圓滿成功。中共中央、國務(wù)院、中央軍委致電祝賀：“天宮二號和神舟十一號載人飛行任務(wù)圓滿成功，首次實現(xiàn)了我國航天員中期在軌駐留，并開展一批體現(xiàn)國際科學(xué)前沿和高新技術(shù)發(fā)展方向的空間科學(xué)與應(yīng)用任務(wù)，標(biāo)志著我國載人航天工程取得了新的重大進(jìn)展。”在這批國際前沿任務(wù)中，備受關(guān)注的是一項頗具科幻色彩的前瞻性實驗：人類歷史上首次太空腦-機交互。人-智能機器人聯(lián)合探測將是未來航天發(fā)展的趨勢，其人機高協(xié)同性的特點將對人機之間信息交互的層次性、信息量、普適性等提出很高要求，而腦-機交互就為航天員直接通過大腦與機器人之間進(jìn)行自然高效的信息交流提供了極有前景的解決方案。
這套神奇的太空腦-機交互實驗系統(tǒng)的主要設(shè)計者就是天津大學(xué)明東教授。
也是一種“讀心術(shù)”
人機交互，英文詞條是：Human–Computer Interaction，直白的理解是人和計算機之間的互動，文雅點的說法是交互，有的解釋說這里的計算機或者可以理解為“含有計算機的機器”。想到能喘氣有思維，靠吃飯維持生命且有溫度的人，與只能讀懂0和1兩種數(shù)字，靠電工作的冰冷的機器，二者之間發(fā)生互動，我的腦海里閃現(xiàn)出這樣一個畫面。我對機器人說，你能自己打自己一下么？機器人說我怎么能打自己呢。我說那你來打我一下試試。機器人掄起“胳膊”就是一個“巴掌”，于是我只有滿地找牙去了。
明東團隊研究的人機交互比這復(fù)雜，他們的研究內(nèi)容是機器破譯大腦的指令，同時傳輸并下達(dá)指令，讓身體執(zhí)行命令。這里的指令可以理解為“想法”，從這個角度來說，他的技術(shù)也可以理解為是一種“讀心術(shù)”，不過這里的“心”不是心臟而是大腦。研究顯示，大腦在想象或執(zhí)行身體運動時都會伴隨發(fā)生一種類似的“放電”行為。寫到這里我腦子里突然蹦出來的詞是在醫(yī)院里能看到的“心電圖”，以及心電圖紙上的波形圖。“讀心”的過程是通過設(shè)備識別大腦執(zhí)行某種特定認(rèn)知任務(wù)時產(chǎn)生的相關(guān)腦電信息，以此判斷大腦在“想什么”，譬如想舉手，想抬腿，甚至是想伸舌頭等，當(dāng)然也可以是其他千奇百怪的想法，不過目前已有的主要研究成果還是主要集中在讀懂大腦對肢體行為的想法。將腦電波與對應(yīng)行為匹配的過程好像是破譯密電碼本的過程，人類大腦這部密碼本的破譯工作才剛剛起步，現(xiàn)在看到的也許僅僅是它第一頁的前幾行字。不過這并不妨礙我們對它未來廣闊應(yīng)用空間的暢想，等到那一天，男生女生談戀愛或許就不需要一次次的問愛不愛我，做個測試就清楚了。
破譯大腦的想法并不是科學(xué)研究的終極目的，讓科學(xué)為人類所用，改善現(xiàn)有的生活，克服人類的局限，是科學(xué)技術(shù)向前發(fā)展的動力所在。這一點是明東從開始研究的第一天起就樹立的思想，也是他從事腦-機交互研究的初心。
只是想幫助人
故事要從明東讀博士的時候說起，他在讀博期間曾赴香港大學(xué)醫(yī)學(xué)院矯形與創(chuàng)傷外科學(xué)系開展合作研究，在那里的經(jīng)歷深深地影響了他以后的學(xué)習(xí)生活。香港大學(xué)擁有國際知名的康復(fù)醫(yī)學(xué)研究中心，中心收治了很多有運動障礙的患者，其中很多人是由神經(jīng)系統(tǒng)疾病引起的。親眼目睹了這些患者的痛苦，以及這些患者背后親人們的痛苦，搞生物醫(yī)學(xué)工程的明東深有感觸。人的神經(jīng)系統(tǒng)非常脆弱，一旦受損很難再生，因此患者的后期康復(fù)治療非常困難，由此明東萌發(fā)了試圖通過自己的專業(yè)幫助這些人的想法。
當(dāng)時，腦-機接口技術(shù)剛剛興起，這種技術(shù)的突出特點是它可以在人體大腦和計算機（或其他電子設(shè)備）之間建立一個新的信息輸出通路，并且這個通路能夠代替外周神經(jīng)和肌肉組織傳遞大腦信息。如果能把腦-機接口和神經(jīng)肌肉電刺激兩種技術(shù)有效融合起來，給神經(jīng)受損患者建立一條新的人工運動神經(jīng)通路，那病人或許就可以重獲康復(fù)的希望。
懷揣著理想回到現(xiàn)實的研究中來，十年如一日的付出，面前的人工神經(jīng)康復(fù)機器人系統(tǒng)由“神工一號”升級到“神工三號”，成功路上的收獲讓明東倍感欣慰。成績背后是無數(shù)次失敗后的堅持，是量變到質(zhì)變的積累。當(dāng)談及今天的成績時，明東最常用的一個詞就是“水到渠成”。一路走來，他記得更多的是同行和朋友的鼓勵與支持，如數(shù)家珍的是一次次成功的喜悅，而這份精神上的收獲足以抵消所有體力上的付出。每天1點后才睡覺，6點多就起床，沒有節(jié)假日，帶病堅持工作的事情，就好像是別人的故事，與自己無關(guān)。
從2005年起，明東開始了腦-機交互用于神經(jīng)康復(fù)的研究。首先是積累技術(shù)，為了滿足不同的場景需求，尋找和優(yōu)化更穩(wěn)定可靠的解碼技術(shù)與識別方法，他和同事們幾乎重復(fù)了當(dāng)時國際上所有的主流腦-機交互方式。
伴隨著技術(shù)積累的不斷成熟，應(yīng)用問題逐漸提上日程，往哪里用呢？有句老話叫“說者無意，聽者有心”，在一次和康復(fù)醫(yī)生無意的聊天中，一種在康復(fù)臨床領(lǐng)域的特殊治療手段：運動想象療法進(jìn)入明東的視野。那時候他并不知道，這個契機不僅開啟了他科學(xué)研究的新篇章，使訓(xùn)練型腦-機交互技術(shù)找到了用武之地，更是開啟了中風(fēng)患者康復(fù)的新途徑。
當(dāng)中風(fēng)遇上“神工”
運動想象療法的核心要點是在大腦中反復(fù)進(jìn)行運動想象，根據(jù)運動記憶，在大腦中激活某一活動的特定區(qū)域，從而達(dá)到提高運動功能的目的。雖然只是想象，但卻可以通過改善運動技巧形成過程中的協(xié)調(diào)模式，給予額外的技能練習(xí)機會，有助于學(xué)會或完成運動。運動想象療法在之前由于缺少可靠的工程實現(xiàn)方法，因在臨床中的應(yīng)用非常有限，而這對于“神工”技術(shù)來說正是前所未有的好機會。
康復(fù)科最大批的患者是中風(fēng)病人，這部分患者由于血管梗阻或出血造成腦部神經(jīng)系統(tǒng)損傷，最終大腦指令不能正常傳輸，表現(xiàn)為肢體運動障礙。如果通過訓(xùn)練型的腦-機接口，能夠正確獲得并識別大腦意圖，同時將指令傳達(dá)給肢體并完成動作，反復(fù)強化這一從大腦至肌群的正常興奮傳導(dǎo)通路，是否就可以有效地促進(jìn)障礙的運動反射弧逐漸恢復(fù)呢？
在眾多疾病康復(fù)中，將中風(fēng)患者的康復(fù)列為研究重點并非出于偶然。一方面中風(fēng)患者多因為腦血管問題導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)受損，伴隨半身不遂或肢體行動障礙，存在的問題與研究技術(shù)能解決的問題的匹配度最高；另一方面中風(fēng)是目前世界上致殘率最高的疾病，且中國目前中風(fēng)的發(fā)病率高達(dá)每12秒一人，社會需求度最高。
2014年6月14日，“神工一號”人工神經(jīng)康復(fù)機器人系統(tǒng)問世，開創(chuàng)了中風(fēng)病人腦-機-體交互康復(fù)的新療法。在天津大學(xué)與天津市人民醫(yī)院共同舉辦的新聞發(fā)布會上，借助“神工一號”機器人，因為中風(fēng)導(dǎo)致偏癱的董阿姨通過“想”，成功地實現(xiàn)了“指揮”原本無法行動的肢體完成所想的動作，引發(fā)了社會的熱烈關(guān)注。這項技術(shù)的要點在于機器讀懂了大腦所想，即破譯了腦部“放電”，然后模擬周邊神經(jīng)通路，刺激患者癱瘓肢體產(chǎn)生相應(yīng)動作。如此往復(fù)訓(xùn)練，刺激腦部神經(jīng)系統(tǒng)可塑性變化，并與肌肉活動的同步整合與協(xié)調(diào)，最終促進(jìn)患者相應(yīng)運動功能的恢復(fù)，以及體內(nèi)神經(jīng)通路的修復(fù)和重建，最終實現(xiàn)康復(fù)的效果。更讓人驚喜的是，“神工一號”系統(tǒng)還可以進(jìn)行“中風(fēng)后抑郁癥”等關(guān)聯(lián)疾病的輔助診斷，進(jìn)行在線病理檢測及篩查工作。
“神工一號”的成功帶給了病人康復(fù)的希望，帶給了明東更大的研究動力。時隔一年后，“神工二號”問世，并在山東省煙臺山醫(yī)院投入臨床使用。這一次，整套設(shè)備從技術(shù)內(nèi)核到傳感模式，從軟件設(shè)計到應(yīng)用方式都有了明顯的升級。最關(guān)鍵的是“神工二號”自身加入了優(yōu)化功能，有效降低了因外界環(huán)境或個人心理等因素造成的系統(tǒng)錯誤觸發(fā)概率，大大提升了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，這也從客觀上擴大了該套系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，可以服務(wù)更廣大的患者。
目前，“神工二號”已經(jīng)通過國家食品藥品監(jiān)督管理局的檢測，應(yīng)用康復(fù)患者已成百上千例，其中因中風(fēng)導(dǎo)致偏癱11年的患者經(jīng)過幾個月的康復(fù)訓(xùn)練，甚至可以用原來無法運動的右手一筆一畫寫出自己的名字。“神工”相關(guān)技術(shù)陸續(xù)獲得天津市技術(shù)發(fā)明一等獎、天津市科技進(jìn)步二等獎和天津市專利金獎等多項榮譽，被“觀察者”評為“中國可能改變未來的十大科技成果”之一。天津市、山東省多家醫(yī)院甚至已經(jīng)迫不及待地通過科研合作形式預(yù)定了樣機。
展望“神工三號”的未來，明東為我們描繪了一個美好的畫面:也許不遠(yuǎn)的將來，“神工”可以化作一個體積更小的可穿戴便攜設(shè)備，依然可以輔助病人完成更多復(fù)合精細(xì)的肢體動作，幫助到的人群也不僅僅是中風(fēng)患者，還包括脊髓受損的患者。在明東的計劃中，新型外骨骼、經(jīng)顱物理刺激和虛擬現(xiàn)實技術(shù)一起，未來將給癱瘓患者一個生動、有趣、高效的康復(fù)訓(xùn)練。
“神工”上天
伴隨“神工三號”同步研發(fā)成果的還包括這次隨“天宮二號”一起上天的在軌腦-機交互技術(shù)試驗系統(tǒng)。在太空失重條件下，航天員穿戴好設(shè)備，就可以通過大腦來“打字”，輸出向祖國和親人的問候。所謂意念控制實現(xiàn)人機互動，未來的設(shè)想是讓宇航員在太空中只需要動腦就可以下達(dá)某些操作指令，最終實現(xiàn)人與智能機器人的聯(lián)合探測。
當(dāng)然，所有系統(tǒng)從陸地到太空失重狀態(tài)，為了保證儀器的正常工作，明東帶領(lǐng)的團隊也是費了一番心思，他們與中國航天員中心人因工程國家級重點實驗室合作，通過大量實驗深入揭示失重、噪聲、情緒等對腦電的影響，實現(xiàn)了高識別度、高穩(wěn)定性、適于空間環(huán)境的腦-機接口自適應(yīng)分類技術(shù)。建立了針對航天特征的實驗策略和訓(xùn)練方法，大幅提高系統(tǒng)識別正確率，為有效開展天地差異對比建立了穩(wěn)定基礎(chǔ)。該系統(tǒng)的建立和成功測試為未來深入開展腦-機先進(jìn)交互技術(shù)在軌適應(yīng)性研究和技術(shù)應(yīng)用起到了重要推動作用。
提到在太空探索大腦，不能不提到一個詞“三磅宇宙”。將宇宙和大腦加以關(guān)聯(lián)，來自于科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，宇宙的成長過程和結(jié)構(gòu)與大腦細(xì)胞的生長過程和結(jié)構(gòu)極其相似，而人腦約為三磅重，由此把人腦比作“三磅宇宙”。1906年諾貝爾生理或醫(yī)學(xué)獎獲得者、現(xiàn)代腦科學(xué)的奠基人之一、西班牙科學(xué)家卡赫曾說：“只要大腦的奧秘尚未大白于天下，宇宙將仍是一個謎。”某種程度或者也可以理解為人的大腦就是一個小小的宇宙，我們對大腦的了解還很有限。在明東的眼里，雖然對于宇宙的了解是無限的，目前人類對大腦探知也是有限的，但這并不妨礙我們利用當(dāng)下對大腦有限的認(rèn)識服務(wù)于人類。研究大腦或者宇宙的目的不僅僅在于研究，更在于為人類服務(wù)。因此，在對大腦探索的路上，明東和他的同事們樂在其中，樂此不疲。
人機互動走進(jìn)尋常生活
如今，明東帶領(lǐng)的團隊已經(jīng)將現(xiàn)有的研究成果轉(zhuǎn)化為服務(wù)具體的生產(chǎn)生活，基于人感仿生神經(jīng)系統(tǒng)的中央空調(diào)就是其中一個代表性的成果。人感仿生神經(jīng)系統(tǒng)技術(shù)又被稱為“智慧眼感知模塊”，其中的“眼”指的是紅外熱感傳感器和紅外熱釋電傳感器，兩只“眼睛”隨著電機轉(zhuǎn)動對房間進(jìn)行360度掃描，像人的感覺神經(jīng)系統(tǒng)一樣，能夠獲取房間內(nèi)溫度分布情況。隨后，獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)過“大腦”，即數(shù)據(jù)處理中心分析后，便向“四肢”即送風(fēng)口的模塊發(fā)出指令，調(diào)節(jié)風(fēng)向和風(fēng)量，來實現(xiàn)對人體的定向精準(zhǔn)送風(fēng)。既提高了空調(diào)的舒適度，又降低了能源消耗。設(shè)計中對人體熱源與非人體熱源進(jìn)行有效區(qū)分，讓指定溫度調(diào)節(jié)更加精準(zhǔn)，真正做到風(fēng)隨人動、風(fēng)避人動、人來風(fēng)至、人走風(fēng)息。
未來，人機互動技術(shù)將更多地應(yīng)用于尋常百姓的日常生活中，讓我們的生活變得更加舒適，健康，環(huán)保。
潛心耕耘，不問收獲
談及這10多年來工作上的辛苦與付出，明東說的很少，因為興趣所在，所以再多的付出都不算什么，成功的喜悅帶給人精神上的享受抵得過所有的晚睡早起。從10多年前的一個想法，到如今的臨床應(yīng)用，可謂十年磨一劍終有所成?；厥讈頃r路，方知未來路更艱。“神工”技術(shù)的背后，數(shù)得過來的是六十余項授權(quán)國家發(fā)明專利，百余篇學(xué)術(shù)論文，看不見的是一批科研人早起晚睡、忘我工作的辛路歷程。
目前，明東還在服務(wù)學(xué)校的學(xué)科建設(shè)工作。在他看來，這其實也是學(xué)術(shù)工作的有益組成，對于學(xué)科發(fā)展問題的思考，讓他可以從戰(zhàn)略性角度和高度理解不同學(xué)科的交叉與融合，從而有助于自己學(xué)術(shù)視野的拓展，這也是對自身科研能力與綜合素養(yǎng)的另外一種促進(jìn)。
明東在做的另一件“不務(wù)正業(yè)”的事情是科學(xué)普及，在他看來這同樣是他份內(nèi)的責(zé)任。科普工作耗時間，難度大，很多科學(xué)家不愿意做，但是他覺得這很重要，所以再難也要做。讓更多的人了解腦-機交互技術(shù)本身，從科學(xué)角度認(rèn)識技術(shù)，避免對科學(xué)的“神話”或“異化”，正確認(rèn)識技術(shù)的用處和不足，科學(xué)家要做的事情還很多。當(dāng)然，因為了解而有更多的患者使用“神工”機器人，改善患者的健康狀況，從而幫助到更多的人，這是明東最高興看到的事情，這讓他更加覺得自己做了一件對社會有意義的事情。
人與工具的交互始于人類文明開始之初，始終貫穿人類的發(fā)展史，也終將伴隨人類發(fā)展的整個過程，而人機交互注定將在未來更深刻地改變?nèi)祟惖纳钆c生產(chǎn)。人機交互的研究已經(jīng)起步，而腦-機交互的未來則更為廣闊，它代表了未來人機交互的最高形態(tài)。明東希望更多的年輕人因為聽說而了解，因為了解而喜歡，因為喜歡而奮不顧身，他愿意做那個與大家一起“投身”腦-機交互的人。
談到科研工作與學(xué)生培養(yǎng)，明東自有一套。從2006年正式留校任教，他就和學(xué)生工作生活在一起，不大的房間，即是實驗室又是辦公室。大家一起做學(xué)術(shù)，談人生，談理想，學(xué)習(xí)上的困難，生活中的困惑，學(xué)業(yè)上的發(fā)展，都是師生間經(jīng)常涉及的話題。他對學(xué)生要求很嚴(yán)格，而學(xué)生卻對他很親近。逢年過節(jié)，明東不允許學(xué)生送禮物，孩子們就把積攢下來的感謝化成祝福，通過視頻傳達(dá)給老師，而看到自己的學(xué)生們學(xué)有所成、身心健康，對于崇尚精神上快樂的明東來說，同樣是一種不可取代的幸福。在老師明東的心中，由天津大學(xué)學(xué)生投票選出的“我心目中的十佳導(dǎo)師”榮譽稱號是讓他覺得最幸福的肯定。
“坐言起行”是明東的座右銘，“坐而能言，起而能行；坐言起行，言行一致。”明東以此鞭策自己，鼓勵學(xué)生。“坐言起行”寄托著他對學(xué)生在學(xué)習(xí)知識、開展科研工作、表達(dá)想法等能力上的期望，同時也是他要求自己和學(xué)生在做人、做事中共同恪守的準(zhǔn)則。
明東讀書時古文功底很好，現(xiàn)在也喜愛詩詞，他填過一曲“清平樂”，最后兩句是“莫謂光陰易老，進(jìn)取只在今朝”。
明東說：如果將來我們看到自己的科研成果讓更多有需要的人能夠從中受益，那么我想，這將會是一件特別幸福、特別酷的事情。這也是我的職業(yè)最讓我著迷的地方。
這就是明東，一個熱愛科學(xué)，喜歡文學(xué)，眼睛會笑，衣著干凈，朝氣蓬勃的青年科學(xué)家。（選自《民主與科學(xué)》2016年第6期）