撰文/高小榕（清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系教授、博士生導(dǎo)師、中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會醫(yī)學(xué)神經(jīng)工程分會候任主委、北京地區(qū)"廣受關(guān)注學(xué)術(shù)論文報告會"生物醫(yī)學(xué)學(xué)科報告人）

電影《流浪地球》中，通過控制機器人外骨骼，救援隊在冰原中拖動火石、救助墜落的人員、最后協(xié)力推動"頂針"，賺足了觀眾的眼球。這在現(xiàn)實中可以實現(xiàn)嗎？我們真的可以如電影中一樣，隨心所欲地操控沉重的機械戰(zhàn)甲嗎？當前，基于肌電的人機交互技術(shù)為我們提供了可能。

肌電技術(shù)：可識別每一個動作

骨骼肌肉電信號，簡稱肌電，是一種伴隨肌肉收縮運動，由肌肉細胞和相關(guān)神經(jīng)元電活動疊加產(chǎn)生的信號。肌電信號早先主要被應(yīng)用在運動相關(guān)的疾病診斷和康復(fù)訓(xùn)練等領(lǐng)域中。由于在目標肌肉群的皮膚上放置電極即可采集到表面肌電信號，對人體沒有任何損害，近年來，肌電這項技術(shù)也開始為普通人群提供服務(wù)。

肌電的產(chǎn)生與肌肉的活動息息相關(guān)。不同的動作伴隨著不同的肌肉群收縮模式，也對應(yīng)著不同的肌電響應(yīng)情況，因此，肌電常被用于進行人體活動狀態(tài)的解讀。

目前，肌電已經(jīng)被證明可以用來識別諸如握拳、打響指和抬手等多個手勢，以及前進、后退和轉(zhuǎn)向等多種步態(tài)。此外，由于動作的產(chǎn)生也需要肌肉活動，肌電不僅可以識別已經(jīng)發(fā)生的動作，還可以對將要進行的動作進行預(yù)測。由于肌電在動作識別方面的潛力，其在人機交互中的應(yīng)用開始逐步受到關(guān)注。

實際上，當前市面上已經(jīng)有多種較為成熟的動作識別解決方案，比較著名的有Kinect 和Leap Motion等。但是，這些方案往往都是基于計算機視覺實現(xiàn)，需要通過攝像頭拍攝到人的活動，根據(jù)圖像分割技術(shù)，提取關(guān)鍵的骨骼節(jié)點，識別出當前對應(yīng)的動作。正因為其原理如此，這些方案對于環(huán)境光線，遮擋物和離攝像頭的距離都有一定的要求，因而也限制了應(yīng)用場景和人的活動范圍?；诩‰姷膭幼髯R別只需要在胳膊或者小腿等位置貼上電極，不再需要布置攝像頭等其它外部設(shè)備，就可以實現(xiàn)各種場景下的動作識別，相較而言，就要靈活得多。

▲Leap Motion方案是基于計算機視覺實現(xiàn)的（圖片來源/LeapMotion.com）

人機交互：多個場景應(yīng)用廣泛

正因為其靈活性，基于肌電的動作識別在多種人機交互場景中都有應(yīng)用的可能。

例如，航空航天、深海作業(yè)和災(zāi)害現(xiàn)場搜救等條件嚴苛充滿風險的地方往往需要遠程控制機器人進行協(xié)助。而利用肌電進行機器人控制只需要使用者作出相應(yīng)的動作即可，這讓整個操作流程變得非常便捷，操作員更有身臨其境的感覺，對突然出現(xiàn)的危機情況也可以更快地進行反應(yīng)。此外，這種基于肌電的使用者動作同步模擬還有望被應(yīng)用在遠程手術(shù)中。也許在未來的一天，通過分析肌電實時提取大夫的手部動作，我們可以讓身處北京的大夫控制手術(shù)機器人治療深圳的患者，讓頂尖的醫(yī)生能幫助到更多的人。

另外，基于肌電的動作識別還可以被應(yīng)用于機器人外骨骼的控制。這種技術(shù)既可以打造中強力的機械戰(zhàn)士，也能在日常生活中發(fā)揮作用，例如搬運重物，在火災(zāi)現(xiàn)場救出被困在高層的人們，等等。除此之外，該技術(shù)還可以幫助肢體缺損的人重獲活動能力。例如，已經(jīng)有基于肌電的解決方案，幫助因事故完全切除手掌的鋼琴愛好者，控制機械手成功彈起了自己心愛的樂曲。

肌電在娛樂行業(yè)也有相應(yīng)的前景，除了控制小車、無人機等小游戲之外，基于肌電的動作識別也可以作為虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實游戲的一個輸入維度，只需要如真實世界中作出相應(yīng)的動作，玩家就可以在游戲世界中走動，拾取物品或者進行一次攻擊，這種交互模式相較于現(xiàn)有的控制手柄會帶來更高的控制感和沉浸感，讓游戲體驗提升。同時，基于肌電的動作識別還可以用于智能家居的控制，想象一下這樣的場景：進門之后打一個響指，家中的燈光、空調(diào)和音樂就相繼打開，迎接主人的回歸。

▲基于小腿表面肌電的智能移動機器人控制系統(tǒng)示意圖。通過對采集的肌電信號進行比較分析, 選取了動作段與靜息區(qū)別較為明顯的CH1等四通道信號作為后 續(xù)研究信號源。左上圖是電極放置的位置；右上圖是實際的控制場景；左下圖是機器人的示意圖；右下圖是步態(tài)識別的準確率（供圖/ 高小榕）

人機融合："雙向"交互營造沉浸式體驗

基于肌電的人機交互在國內(nèi)外都受到廣泛的關(guān)注，也是研究的熱門話題之一。我和清華大學(xué)神經(jīng)工程研究室徐超立一起，提出了一種新穎的"基于小腿表面肌電信號的智能移動機器人控制方法"。通過采集單腿的小腿肌電信號，并將用戶步態(tài)動作的識別結(jié)果實時轉(zhuǎn)化為對機器人運動控制的指令，該系統(tǒng)實現(xiàn)了人與智能移動機器人的實時協(xié)同交互。該系統(tǒng)采集方法簡單，實時性和準確率都很高，于2016年發(fā)表在《中國生物醫(yī)學(xué)工程雜志》上，引起學(xué)術(shù)界好評，在2019年被評為"北京地區(qū)廣受關(guān)注學(xué)術(shù)論文"。

那么在下一階段中，肌電在人機交互領(lǐng)域還有哪些提升的方向？一種可能性是實現(xiàn)"雙向"的交互。目前常用的，把肌電中信息解碼后用于控制設(shè)備只是一種從人到機的單向信息傳遞，實際上，在與觸覺反饋和肌肉電刺激等技術(shù)結(jié)合之后，我們還可以將反饋信息再直接輸入給人。例如，通過肌電控制化身在虛擬現(xiàn)實場景中鞠一捧水的同時，如果具有反向的輸入通道，我們還可以感覺到水的重量和流動感。這種雙向的交互可以進一步地提高真實感，從而實現(xiàn)人機交互到人機融合的跨越。

由于肌電采集相對簡潔，蘊含信息豐富，在動作識別中具有很大的潛力。但也需要注意到現(xiàn)有技術(shù)仍存在著運動噪聲干擾判別、動作識別效果受個體差異影響，單次使用時間長性能降低等問題。我們期待在研究者的不斷努力下，肌電可以在人機交互中發(fā)揮更大的作用，為廣大用戶群體帶來更自然、更便利的人機交互解決方案。