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    • 什么是“仿生智能”?
    • 心電、肌電、腦電三大傳感器有何異同?
    • 數(shù)據(jù)處理和算法放在端側(cè),還是在云端?
    • 仿生智能設(shè)備是否需要通過醫(yī)療認(rèn)證才能進(jìn)入市場?
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仿生智能,藏在傳感器與算法中的秘密

2022/04/28
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閱讀需 11 分鐘
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2000年,一個(gè)名叫倪華良的上海小伙從復(fù)旦大學(xué)電子工程系畢業(yè),進(jìn)入到張江集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)。8年后,由于喜歡挑戰(zhàn)和折騰的性格,他選擇遠(yuǎn)赴加拿大工作和生活,在高通加拿大分公司繼續(xù)從事芯片研發(fā)的工作,成為staff engineer,并因?yàn)榕d趣愛好喜歡上了人機(jī)接口交互,于是兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)又在2015年回到了老家上海,成立了一家從事神經(jīng)科學(xué)和人機(jī)交互領(lǐng)域研究的科技公司——傲意科技,而他自己既是這家仿生智能公司的CEO,又是產(chǎn)品研發(fā)的技術(shù)擔(dān)當(dāng)。

在談到為什么要進(jìn)入仿生智能這個(gè)賽道時(shí),倪華良表示:“在成立公司之前,我的興趣愛好是和AR/VR相關(guān)的,當(dāng)時(shí)做的就是非接觸式的手勢交互方法,后來在一路發(fā)展的過程中,我們將產(chǎn)品做出來了,由于行業(yè)發(fā)展的一個(gè)周期性問題,于是我們選擇了當(dāng)下的一個(gè)剛需方向,也就是仿生智能中的假肢,我認(rèn)為這個(gè)方向也值得我們?nèi)ゼ夹g(shù)改革、去創(chuàng)新。”

假肢其實(shí)是一個(gè)比較獨(dú)特和垂直的市場,是上萬種輔具里面的一個(gè)分支,根據(jù)殘聯(lián)公開的數(shù)據(jù)顯示,目前全球需要手部截肢的人數(shù)大概在1600萬左右,中國沒有一個(gè)很明確的數(shù)據(jù),事實(shí)上大概在200-300萬左右。此外,在中國,下肢截肢的數(shù)量是超過上肢的,大概在500-600萬左右。雖然這不是一個(gè)安全意義上像消費(fèi)電子這種非常廣的市場,但對于這些非常的個(gè)體而言,它是一個(gè)非常重要的輔具產(chǎn)品,存在較強(qiáng)的社會意義。

什么是“仿生智能”?

那么究竟什么是“仿生智能”呢?其實(shí)從字面上我們就能感受到其本質(zhì),“仿生”就是要盡量地模仿我們的真正人體,“智能”就是它要能明白這個(gè)人想要做什么,同時(shí)它又可以通過一些軟件的方式,能實(shí)現(xiàn)一些個(gè)人的定制化的功能。

心電、肌電、腦電三大傳感器有何異同?

說到仿生智能,就不得不提到傳感器。而“心電、肌電、腦電傳感器”被稱為組成仿生智能系統(tǒng)最底層的要素。顧名思義,這三種傳感器采集的分別是心電信號、肌電信號和腦電信號,但這三者之間是否存在某些異同點(diǎn)呢?

倪華良表示:“這三種傳感器的前端是非常接近的,都是對一種弱信號的放大和提取,只是由于信號強(qiáng)度的不同,其采集到的信號的頻譜和噪音是有所不同的。”

比如心電信號相對來說是比較強(qiáng)的,它的波形是一種周期性的比較固定的一種形態(tài),如果出現(xiàn)波形上的不一致,我們就可以用來判別疾病的情況。

肌電信號則不同,它只有在大腦控制一塊肌肉進(jìn)行收縮的時(shí)候才會產(chǎn)生,從信號的形態(tài)來看,肌電信號和語音信號是比較相似的,都是一種上上下下的起伏信號,當(dāng)你不用力的時(shí)候,這種跳躍式的信號就變成接近于一條直線,就像一個(gè)馬達(dá)開通以后,馬達(dá)里面有電流信號一樣。所以,如果我們用一個(gè)肌電傳感器基本上就能判斷這塊肌肉是否在用力,但是如果我們要判斷一個(gè)更大范圍的復(fù)雜的動作意圖的時(shí)候,我們就需要比較多的傳感器組成一個(gè)陣列,因?yàn)槲覀円粋€(gè)動作通常是由好多塊肌肉共同運(yùn)動所產(chǎn)生出來的一個(gè)動作。此外,由于肌電信號也是直接在肌肉上方獲取的,所以信號強(qiáng)度也相對較大。

而與心電、肌電信號不同,腦電信號的獲取難度較大,目前有兩種方法,一種是侵入式的,一種是非侵入式的。常規(guī)采用的是非侵入式的,因?yàn)檫@種方法不存在手術(shù)開顱的風(fēng)險(xiǎn),也不會涉及倫理問題。但是非侵入式的腦電信號采集是一種巨大的挑戰(zhàn),因?yàn)槲覀兊哪X神經(jīng)顱骨以內(nèi)的這個(gè)信號從我們的大腦的腦神經(jīng)里面往上穿透的時(shí)候,它要穿過顱骨、頭皮和頭發(fā),信號的衰減會非常嚴(yán)重?!熬拖袼肋^一座大山一樣,你在山的這邊喊一嗓子,到山的另外一頭去獲取信號,聲音是嗡嗡的,只能聽個(gè)大概,這是因?yàn)樾盘柕乃p以及信息含量更多的高頻的信息已經(jīng)丟失了?!蹦呷A良打了個(gè)生動的比喻。

如果說肌電信號是mV級的,那么腦電信號就是μV級的。所以,我們在還原腦電信號的時(shí)候,除了要選用非常好的放大器以外,通常還要做一堆的濾波,然后才能用非常高分辨率的ADC模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。如果說肌電信號我們用8個(gè)bit,256個(gè)梯度表示,就能獲得很好的信號質(zhì)量的話,腦電信號就至少要用24個(gè)bit,2的24次方,就是16M這樣的分辨率才能很好的去獲取該信號。

數(shù)據(jù)處理和算法放在端側(cè),還是在云端?

有了傳感器獲取數(shù)據(jù),就還需要處理器和算法去識別和處理這些數(shù)據(jù)。眾所周知,在很多圖像傳感器中,已經(jīng)有非常多的應(yīng)用場景是將簡單的實(shí)時(shí)處理放在端側(cè),甚至傳感器上,那么對于仿生智能來講,它的數(shù)據(jù)處理又有何特色呢?

倪華良表示:“根據(jù)不同的應(yīng)用,我們會選擇不同的方法。比如我們的肌電,傳感器和主控芯片之間的距離是很短的,其中帶來的噪音是可以容忍的,所以沒有必要在每塊芯片側(cè)將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。而對于數(shù)據(jù)處理量的問題,通常我們在假肢里面會放8個(gè)或者更多的傳感器,事實(shí)上綜合系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本控制,8個(gè)已經(jīng)蠻多了,半分鐘大概會產(chǎn)生240k的數(shù)據(jù)量,當(dāng)技術(shù)端往前走,市場端要往回推,這中間需要達(dá)到一個(gè)大家都比較比較舒服的平衡點(diǎn)。這個(gè)時(shí)候,我們就在邊側(cè)的設(shè)備端就把它全部處理完了?!?/p>

“對于腦電來說,我們的產(chǎn)品有64個(gè)通道,它在邊緣處理的時(shí)候就很困難,這一方面和我們采用的是低功耗MCU相關(guān),另一方面選處理能力很強(qiáng)的CPU成本也會上升,功耗也會上升。所以,在腦電系統(tǒng)的應(yīng)用里,需要將大量的數(shù)據(jù)放到PC端去處理?!?/p>

在仿生手的應(yīng)用里面,傲意科技在應(yīng)用里面加入了一些人工智能的算法,目的是要理解截肢的用戶他到底想要做什么動作,到底是想要把手握起來,把手打開,還是說要做個(gè)捏的動作?本質(zhì)上就是一個(gè)個(gè)的指令,這個(gè)信號處理是不可能連著手機(jī)或云端的,因?yàn)檎麄€(gè)環(huán)路下來,延時(shí)太大了。所以,我們就要求在現(xiàn)場就要能識別。但對于“仿生手如何能明白這個(gè)人想要做什么”,也就是模型或者知識庫,這個(gè)事情需要在云端來做。

為什么要放在云端呢?還是要回到一個(gè)數(shù)據(jù)處理的能力的問題。人工智能分為三個(gè)方面:算力、算法和數(shù)據(jù),當(dāng)前云端server的算力已經(jīng)很強(qiáng)了,由于算力的提升,幾十年以前提出來的好多算法,比如BP網(wǎng)絡(luò)、CNN這些現(xiàn)在比較流行的AI算法,當(dāng)年沒有算力跑不起來,但現(xiàn)在有了算力都能跑起來了。當(dāng)然,對于仿生智能來說,不是單一地使用某種算法,而是圍繞著用戶體驗(yàn)展開的算法集合。

此外,數(shù)據(jù)是非常關(guān)鍵的東西,所謂巧婦難為無米之炊,在仿生手中,數(shù)據(jù)來源于用戶自己,他們自己采集,建立自己的數(shù)據(jù)庫,然后將其扔給算法,生成出抽象的AI模型,或者稱之為抽象的知識庫,再把它加載回設(shè)備中,這個(gè)時(shí)候就可以離開云端,用一塊比較便宜的Cortex-M系列芯片,就能跑一個(gè)邊緣的人工智能的算法,基于用戶自己的數(shù)據(jù)和它以往的一個(gè)AI模型,去判別手要執(zhí)行的動作,再將其轉(zhuǎn)化為機(jī)器指令,發(fā)給機(jī)械的手去做出相應(yīng)的動作來。這種做法即在邏輯上比較合理,有在成本上具有一定的優(yōu)勢。

仿生智能設(shè)備是否需要通過醫(yī)療認(rèn)證才能進(jìn)入市場?

事實(shí)上,由于假肢沒有任何的治療作用,所以在不同的國家,對于仿生智能設(shè)備的管理法規(guī)是不一樣的。在中國的法律體系下面,它是一種輔助設(shè)備,不是醫(yī)療產(chǎn)品,是屬于民政管轄的,在北京這邊有一個(gè)國家康復(fù)輔具檢驗(yàn)中心,在那里去做過質(zhì)量檢驗(yàn)并合格后就能上市。而在美國或歐盟國家,因?yàn)檫@些國家沒有專門的民生部門,所以假肢是屬于醫(yī)療范疇的,需要通過比如說class one的一個(gè)認(rèn)證后,才能正常上市。

寫在最后

由于底層技術(shù)的相似性,做仿生智能的公司在進(jìn)軍AR/VR/XR市場時(shí),擁有先天性的優(yōu)勢,而傲意科技起點(diǎn)就是倪華良對于AR/VR這些人機(jī)交互技術(shù)的喜愛,所以在未來,傲意科技一定也會在AR/VR/XR等市場綻放獨(dú)有的光彩。

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電子產(chǎn)業(yè)圖譜

與非網(wǎng)副主編 通信專業(yè)出身,從事電子研發(fā)數(shù)余載,擅長從工程師的角度洞悉電子行業(yè)發(fā)展動態(tài)。