承載著治療多種神經系統和腦部疾病希望的腦機接口技術發展日新月異。最近，在腦機接口電極植入領域，又傳來一個好消息。

記者從中國科學院自動化研究所（以下簡稱自動化所）獲悉，該所腦圖譜與類腦智能實驗室（以下簡稱腦與類腦實驗室）腦機接口與融合智能團隊自主研發的柔性微電極植入機器人產品——CyberSense，已于日前通過深圳市“腦解析與腦模擬”重大科技基礎設施預驗收。

柔性腦皮層微電極植入機器人CyberSense。自動化所供圖

腦與類腦實驗室主任、腦機接口與融合智能團隊負責人余山告訴《中國科學報》，這款電極植入機器人產品可協助科學家將比頭發絲更細、更軟的柔性微電極植入實驗動物的大腦皮層，為腦機接口與腦科學研究提供關鍵支撐。

“縫紉機”式植入

據介紹，CyberSense是“縫紉機”式柔性電極自動植入機器人，具有多項自主知識產權，能靈活兼容不同規格的柔性微電極，可應用于嚙齒類、非人靈長類等動物的大腦皮層植入。

何謂“縫紉機”式植入？余山告訴《中國科學報》，由于植入過程是利用一根硬質針不斷上下穿梭操作柔軟的微絲，類似于縫紉機的工作過程，所以國內外學者稱其為“縫紉機”式植入。

CyberSense微電極植入機器人系統由智能感知系統、精密機械臂、信號處理系統、控制系統等組成。在感知系統的引導下，它能以微米級的三維操作精度，將多根直徑（厚度）≤10微米、寬度≤100微米的微絲狀電極植入大腦皮層內，并靈活避讓腦血管。

植入后的柔性微電極可將大腦的神經電信號傳導到微型芯片。微型芯片會對收集到的神經信號進行處理和通信，從中解析出大腦正在執行的信息，并控制外部設備，也可以通過微電流刺激電極觸點附近的神經細胞，對腦活動進行調控。

據該團隊介紹，目前CyberSense已成功支持了中國科學院半導體研究所和深圳市微靈腦機智能融合科技有限公司等研制的多種規格的柔性微電極植入，服務于腦機接口和神經電生理相關研究。

研究人員使用CyberSense開展獼猴大腦皮層植入手術。自動化所供圖

為何如此重要

隨著腦機接口特別是植入式腦機技術的發展，行業內對電極植入設備的重視與日俱增。

電極植入機器人產品的研制難點是什么？它為何如此重要？

余山對記者解釋說，植入式腦機接口是一個高度交叉的領域，涉及電極、芯片、植入、通信、腦外科、人工智能、神經解碼等多種關鍵技術，需要多學科協作創新和集成攻關。而隨著新材料和微納加工技術的進步，現在的植入式電極越來越微小和柔軟，在大大降低植入創傷和排異反應的同時，也帶來了植入難度越來越大、遠超人手和肉眼能力極限的問題。因此，高度自動化的植入機器人已成為腦機接口領域的核心設備。

余山進一步指出，植入式腦機接口可以給殘障人士帶來高性能的意念控制、語音合成、視覺重建等技術福利，也可以協助科學家利用高通量信號研究大腦的工作原理。但是，如何采集大量高質量的神經信號，并盡可能減少植入帶來的安全風險，是植入式腦機接口技術面臨的核心問題。

對此，深圳市“腦解析與腦模擬”重大科技基礎設施用戶代表、中國科學院深圳先進技術研究院正高級工程師李驍健表示，在安全問題上，植入式腦機接口已經由硬質電極時代進入柔性電極時代。相比硬質電極，柔性電極對腦皮層損傷更小、感染風險更低；在采集信號的質與量方面，增加微電極數量是可行之道。

“只植入一根柔性微電極，僅能采集單點、少量的神經信號，不足以支撐高性能腦機接口，而植入多根柔性微電極可以覆蓋更多神經元，提高神經信號的豐富性，但多電極植入的難度會大大增加。”李驍健說。

難度彰顯技術深度

目前，柔性電極有多種不同類型，例如有貼在大腦皮層表面的薄膜電極、從靜脈血管介入的支架電極等，不同的柔性電極各有千秋。相比之下，微絲狀柔性電極在神經信號采集中有更大優勢：在植入大腦皮層內部后，電極與神經元直接接觸，能采集到高精度的神經元脈沖。

據CyberSense項目負責人、腦與類腦實驗室副研究員秦方博介紹，柔性微電極的寬度與頭發絲直徑相仿，厚度僅為頭發絲直徑的約1/10，楊氏模量（衡量材料抵抗形變能力的物理量）非常低，這些特點致使電極非常難以觀測和操作。同時，植入時還要對植入點進行規劃選擇，避免損傷腦血管。

已應用的柔性腦皮層微絲電極示例。微靈腦機供圖

此外，正如前述所說，多電極植入的難度也會大大提高。越有難度，越彰顯技術深度。秦方博告訴《中國科學報》，通過發揮自動化所在智能感知和機器人控制方面的技術強項，植入機器人CyberSense具有自動化程度高、可植入數量多、空間定位準、時間效率高、使用方便快捷、靈活避讓血管的優勢，有效提高了柔性微電極植入的成功率和植入效果。

他同時表示，CyberSense的成功研發是腦與類腦實驗室腦機接口與融合智能團隊成員通力協作取得的多學科交叉成果。另外，在柔性微電極制備及植入方面，中國科學院半導體研究所研究員裴為華團隊提供了豐富的技術經驗，為項目的成功實施提供了重要支持。

研究團隊表示，下一步，腦與類腦實驗室腦機接口與融合智能團隊將繼續開發柔性電極植入機器人系列產品，為促進國內腦機接口與腦科學的發展再獻一份力。