裴为华博士，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师。2005年毕业于中科院半导体所，2005-2008年在清华大学生物医学工程系和德国马普微结构与物理研究所做博士后研究。近年来主要通过微纳加和表面功能修饰，研究高灵敏、高信噪比的植入式神经微电极传感阵列器件及脑电电极器件，研究满足生物在体环境下使用的传感器件的制备工艺，探索和开发新的电生理信号传感结构和微加工技术。在国内外发表相关论文50余篇，授权发明专利11项。
脑机接口，不是一个新词。上世纪70年代，美国加州大学洛杉矶分校的计算机科学家雅克·维达尔首次提出脑机接口的概念。此后，脑机接口技术不断发展，科学家们一步一步跨越壁垒，不断创造奇迹。
脑机接口技术发展的“高光时刻”是在2014年世界杯开幕式上， 一名全身瘫痪的青年借助一副“机械战甲”外骨骼成功为巴西世界杯开球，为脑机接口技术树立了一座新的里程碑。
随着神经科学、生物兼容性材料、传感器、大数据和人工智能等技术的进步，以及一批国内外专注于脑科学的创新公司为代表的全新研究力量的加入，脑机接口技术已经进入了快速发展阶段。江苏集萃脑机融合智能技术研究所有限公司（简称“集萃脑机所”）便是深耕其中、屡有创新的代表性企业之一。
据悉，简称“集萃脑机所”成立于2019年7月，由江苏省产业技术研究院、苏州高铁新城和中国科学院半导体研究所三方共建。重点围绕脑机融合智能技术的关键器件、芯片、核心算法、关键应用等领域开展创新研究。
目前，集萃脑机所已完成一系列专有技术、四大支撑平台、五大服务方向和六大研发中心体系等一站式建设。成立不到3年，集萃脑机所已发布一系列硬核脑电产品，在业界获得广泛关注和认可。比如，2020年6月首款意念头环发布，该款头环可连接手机微信小程序，结合专业算法可进行冥想放松、专注度、睡眠状态监测等，实现脑电波数值的可视化。
此外，在脑电传感器研发上，集萃脑机所已向市场推出凝胶快捷电极、梳齿干电极、粉末电极、脑电头带等适用不同场景需求的产品。其中，凝胶快捷电极以低阻抗、高信噪比、柔软且性能稳定等技术优势获得第五届脑机接口论坛“卓越创新奖”。
凝胶快捷电极 图源：集萃脑机所
为了进一步获悉集萃脑机所的技术进展和未来布局，探析国内脑机传感技术的发展机遇和瓶颈，感知芯视界对集萃脑机所常务副总经理裴为华博士进行专访。
以下是对话内容：
软硬件协同创新 拓宽脑机接口更多应用赛道
Q：感谢裴博士接受感知芯视界专访。请介绍您在植入式和非植入式脑电传感方面的工作情况。
裴为华：在中国科学院半导体研究所，我们利用半导体微加工技术，研发的硅基植入式脑电传感器件具有更高的记录通量和记录点密度，目前我们研发的大部分植入式电极是销售给科研院所做动物电生理实验用的。
在集萃脑机所，我们的重心是放在非植入式脑电传感器件研发上，原因是我们想要在消费电子、教育、娱乐以及精神状态监测等更多细分领域实现脑机接口技术在产业化方面的应用。
在技术成果转化中，我们着重解决脑机接口应用的痛点：传统的脑电电极及脑电帽信号质量好，但安放和佩戴操作复杂，很难做到让消费者自行佩戴脑电帽，无法应用到日常消费和娱乐场景中。
针对这一问题，经过长期的技术开发和经验积累，集萃脑机所已取得较大突破。2020年，我们推出了一款凝胶快捷电极，集干、湿电极优势为一体，利用凝胶替代导电膏，可以快速、无残留地进行脑电采集，佩戴舒适，在业内获得了广泛认可。
Q：集萃脑机所的体系框架中，已建设形成一系列专有技术，四大支撑平台、五大服务方向、六大研发中心。请介绍如此布局的初衷？
裴为华：脑电信号的传感、放大和编解码是脑机接口技术面临产业化所需要突破的关键核心技术。传感器性能的好坏关系到脑电使用者的佩戴感受和源信号的质量及稳定性；放大器的性能决定了脑电信号信噪比、带宽、连续使用时长和方便程度；编解码的范式和算法直接与脑机接口应用场景相关，其性能优劣更是直接关系到脑机交互的速度和使用效果。脑机所在这三个方面均有专业的研究团队和雄厚的研究基础，与国内外其他研究机构相比，我们是为数不多的掌握全部三个关键技术的研发团队。因此在器件设计及选型、系统构架、软硬件协同方面具有其他团队不具备的优势。
实际的应用需求不会只靠其中一项技术和解决一个问题就可以满足，更多的是要求有一揽子的整体解决方案。因此，集萃脑机所实行企业化运营和管理方式，基于我们在脑机融合智能技术、脑机交互技术、生物医学工程、神经工程、传感器、集成电路等方面积累的广泛技术基础和近20项专利成果，建设形成今天这样的体系布局，通过协同创新解决脑机接口、脑机融合技术产业化发展问题。
Q：在体系布局中，请您谈谈依托脑电专用集成电路设计平台中，在芯片研发这一块的工作情况？
裴为华：脑机接口实际上是双向的，一方面是把脑电信号采集出来进行分析和解读，另一方面是把外界的信号输入大脑，改变原有神经的活动状态。双向化涉及到记录和刺激两款芯片。我们团队主要是对这两款芯片进行设计开发。
在记录芯片方面，我们主要研究无创脑电信号的放大和采集，芯片性能指标对标NI公司的某款芯片。如果未来我们设计并流片制备出来的指标，超过这款芯片，那么在脑电采集这块有望实现国产替代，摆脱面临被“卡脖子”的风险。目前，基于国产芯片，我们联合国内相关企业已经研发出一款8通道无线采集模块，并在2021年的世界机器人大会上进行展示，这是在记录芯片的最新进展和成果。
刺激芯片方面目前的应用需求主要是理疗相关的，其实这款芯片最期望的功能是把外界信息翻译并传递给神经系统，如触觉反馈信息变成大脑可识别的神经冲动。目前我们的刺激芯片已迭代到第三代，待商业模式明确后，希望我们的刺激芯片在功能电刺激方面有用武之地。
技术创新+旺盛需求 驱动脑机融合多领域产业化
Q：请您谈谈脑机接口技术成果实现产业化，需具备哪些关键因素？
裴为华：实际上，整个脑机接口技术成果走向产业化应用，中间离不开很多关键技术节点的支撑。首先，在脑电信号采集端，一种传感器只能应用在某一类场景。所以，为了应对不同场景的需求，集萃脑机所除了凝胶电极外，还有干电极、平面电极和织物电极等。
其次，配合传感器将脑电信号采集出来还需要电路芯片进行放大和数字化，需要算法将采集到的脑电信号翻译成所需要的控制命令。
最后，算法要针对应用群体进行适应性训练，需要对大样本的脑电进行研究，积累足够的数据量来进行优化，使得整个算法的鲁棒性和普适性更好。
因此，脑机接口技术应用的产品线上，会有不同类型的传感器、采集芯片、信号处理芯片和算法芯片等。所以，集萃脑机所在产品端将前端到后端的技术环节串在一起，利用软硬件结合实现相互协调，整体解决在脑电信号处理方面遇到的问题。
以上谈的技术方面，目前无创脑机接口产业化最关键的是没有找到合适的应用场景。这就需要继续扩大脑机接口技术的宣传和推广，吸引更多的行业和投资人加入到这个行业中，探索出适合当前脑机接口技术水平的应用场景，从市场应用的角度，更快推进这一产业的发展。
Q：当下脑机接口的智能系统以及器件，在国内面临哪些的机遇？
裴为华：机遇主要体现在以下几个方面。一方面是创新技术的发展，让用户逐渐接受更智能、速度更快的脑机接口设备。像集萃脑机所联合清华大学开发的基于SSVEP的脑机接口打字系统，其速度可比拟普通人在触屏手机上的打字速度，吸引很多相关行业的关注。
另一机遇主要体现在逐渐明确的刚性需求。中国正在深度进入老龄化社会，阿尔茨海默症、帕金森等脑类疾病高发于老年人群体，带来了大量的脑疾病诊治需求和养老助残产品的需求。借助脑机接口设备获取的脑电信息和分析手段，可以从前所未有的视角检视相关人群的生理病理表现，进而在体检诊断、筛查监护、治疗与康复等领域展开应用。
国家层面也有利好政策和发展规划，2021年9月，科技部发布了创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目当年的指南，启动了整体规模有望超百亿的“中国脑计划”。脑机接口技术是其中的一个重要方向。
目前来看，量大面广的应用需求还没有出现，但在一些特殊的应用场景，比如娱乐方面，脑机接口设备呈现出与AR/VR结合的发展特征。将来随着元宇宙应用的发展和对硬件的需求不断清晰化，脑机接口设备在其中一定会发挥重要作用。
当下作为研发企业，我们要做的是把脑机接口设备设计得更简单易用，把传感器、采集芯片还有算法进行模块化集成，做成类似头带甚至创可贴一样的贴片，贴在头部就可以实时获取脑电信号。这些微型化产品会大大加快脑机接口与智能产业的整合速度。
突破脑机融合技术的“三座大山”
Q：请问您如何评价我国植入式和非植入式脑电传感技术的发展？
裴为华：植入式电极对设备要求多且细分市场非常多，比如用于外周神经的卡夫电极、用于大脑脑皮层的电极等，其中植入脑皮层电极又分为皮上、皮层间和深脑等部位。从技术发展来看，国内因起步较晚产品比较单一。
国内有已经有部分公司致力于植入式电极的研发，但产品端和用户的磨合仍有一段很长的路要走，用户对国内产品的信任也正处于建立的过程中。目前植入式脑电采集技术跟发达国家相比，可能有3-5年左右的落后时间。相信随着家政策倾斜和资源的投入，利用植入式电极研究脑功能和相关疾病的团队也将不断增加，植入电极的研究团队和使用电极团队之间互动加强，会为植入电极的技术发展创造出更好的发展环境，我国将在植入式电极器件上有很好的发力点。植入式脑电记录技术将最先用在难治病的诊疗方面。
无创电极方面，其实国内用于实验室的传统电极研发实力和国外不分伯仲。比如，武汉的格林泰克和集萃脑机所的传统无创脑电电极的性能，并不比国外差。不足之处主要体现在电极与电路的整合、硬件与软件的整合，系统设计和用户使用场景之间贴合程度。这个如果没有和用户多年的磨合，一朝一夕只靠研发是难以做好的。
集萃脑机所希望用无创脑机接口成果惠及更多的人群。目前来看，无创脑机接口方案在军事上的应用需求相比民用更为迫切，比如一个士兵在战场上既要接受上级的命令，又要观察战场态势，还要操控军事设备，还要同战友互通信息等，迫切需要在手势、语言之外还再多一个维度的人机交互方法。
但是无创电极和信号源中间隔着颅骨和头皮，信号的频率和幅度都很低。技术挑战更大，如何基于这么弱这么少的信号完成那么多的控制，完成通过脑电对人精神状态进行分析，就需要我们在传感器端挖掘更多的传感器形态，包括提高灵敏度、增加空间分辨率、减少噪声；在算法上头也要能够捕捉到更微弱的变化和更精准的区分，要做更多的人群，更多的技术储备，才能够把无创脑机接口做到实用、可靠。
Q：高端前沿的脑机接口技术成果走出实验室并实现产业化应用，请您谈谈需要突破哪些瓶颈？
裴为华：需要突破的瓶颈和挑战主要体现在三个方面：
一是评价方法和考核标准的改变。在科研院所，大家可能考虑比较多的是发表文章和获得奖项，重心是放在某一阶段技术的创新性或者新奇性上，只侧重一方面指标的好坏。在集萃脑机所，苏州省产研院指导我们要着力于从科学到技术的转化环节，将研发作为产业、将技术作为商品，以市场化手段推动产业关键技术研发与转化。这种导向引导我们在研究中不只是注重技术的先进性，还要考虑技术和器件特性的均衡性、可靠性和耐受性。
二是政策导向和资源倾斜。目前国内在脑电材料、高端加工设备以及测试设备方面，仍依赖国外，与国外相比有不少的差距，这就导致国内脑电技术无法实现跨越式发展。我相信，随着近年政策扶持力度的加强和更多的资源投入，比如中国脑计划启动、地方性脑机接口相关专项的设立，将助力脑电技术更好更快地发展。
第三是吸引多技术环节人才加入。脑电技术领域的人才越少，产业链上下游能够兼顾到的环节就越少，做出性能高且稳定的产品可能性就小。只有材料、设计、工艺、系统控制甚至管理等多方面人才源源不断的加入本领域，改变现在一人多用的局面，脑电产品单方面性能的提升才会变成整体性能的提升，下一步离产业化应用也就不远了。
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