腦機(jī)接口領(lǐng)域的研發(fā)態(tài)勢(shì)分析

傅俊英，劇偉偉，齊 靜，毛軍文

（1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所，北京 100038； 2.北京腦科學(xué)與類腦研究中心，北京 102206）

腦機(jī)接口（Brain Computer Interface，BCI）是指在沒有外周神經(jīng)系統(tǒng)和肌肉組織參與的條件下，通過計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備采集轉(zhuǎn)化大腦活動(dòng)信號(hào)為輸出控制信號(hào)，進(jìn)而在人或動(dòng)物與外界設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連接，目的是實(shí)現(xiàn)腦與設(shè)備的信息交換[1,2]。腦機(jī)接口是腦科學(xué)和類腦智能研究的重要內(nèi)容，受到各國(guó)政府、企業(yè)的高度重視。2021年9月，中國(guó)科學(xué)技術(shù)部發(fā)布《科技部關(guān)于發(fā)布科技創(chuàng)新 2030—“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目 2021年度項(xiàng)目申報(bào)指南》[3]，指出新型無創(chuàng)/微創(chuàng)腦機(jī)接口技術(shù)以及柔性腦機(jī)接口技術(shù)等是重要研究方向。隨著神經(jīng)科學(xué)、生物兼容材料、傳感器和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的進(jìn)步，腦機(jī)接口技術(shù)取得了很多突破性進(jìn)展。2021年4月，馬斯克的Neuralink公司通過植入腦機(jī)接口技術(shù)，讓一只猴子可以僅依靠大腦意念控制就能玩游戲[4]。結(jié)合人工智能、神經(jīng)生物學(xué)以及外部技術(shù)的快速發(fā)展，腦機(jī)接口更將取得長(zhǎng)足進(jìn)步[5,6]。本文基于論文和專利分析，對(duì)腦機(jī)接口領(lǐng)域的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行了闡釋。

1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文采用科睿唯安公司的科學(xué)引文索引（Science Citation Index Expanded，SCIE）數(shù)據(jù)庫對(duì)腦機(jī)接口領(lǐng)域的論文進(jìn)行檢索和分析。該數(shù)據(jù)源目前收錄自然科學(xué)領(lǐng)域8 200余種全球高影響力的學(xué)術(shù)期刊，數(shù)據(jù)最早可以回溯到1900年，內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)等150多個(gè)學(xué)科[7]。本研究以該庫論文數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析腦機(jī)接口領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究情況。同時(shí)，本文采用科睿唯安公司德溫特創(chuàng)新平臺(tái)（Derwent Innovation，DI）對(duì)腦機(jī)接口領(lǐng)域的專利進(jìn)行檢索和分析。該數(shù)據(jù)源收錄全球100多個(gè)國(guó)家/地區(qū)的專利信息，包括6 000多萬個(gè)專利和近3 000萬個(gè)同族專利等，可以幫助了解世界最前沿的技術(shù)態(tài)勢(shì)和最具競(jìng)爭(zhēng)力的對(duì)手，預(yù)測(cè)諸多商業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)等[8]。本研究以該庫專利數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析腦機(jī)接口領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)情況。檢索時(shí)間范圍為2010年1月1日—2021年8月2日，檢索日期為2021年8月2日。

2 研究結(jié)果

2.1 腦機(jī)接口研究的發(fā)展趨勢(shì)

2.1.1 腦機(jī)接口相關(guān)論文的發(fā)表情況

學(xué)術(shù)論文是重要的科技情報(bào)源，期刊文獻(xiàn)記載的一般都是學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究成果。SCIE收錄的期刊中共發(fā)表腦機(jī)接口相關(guān)論文8 444篇。如圖1所示，2010—2021年間，全球腦機(jī)接口相關(guān)論文的發(fā)表數(shù)量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，從最初發(fā)表的272篇直至2020年首次超過1 000篇。而論文數(shù)量的年增長(zhǎng)率，則出現(xiàn)起伏波動(dòng)趨勢(shì)。2011年的年增長(zhǎng)率達(dá)到最高值38%，這可能與之前的基數(shù)較低有關(guān)；2013和2015年均達(dá)到20%的高增長(zhǎng)率，這可能與腦機(jī)接口研究及其成果在當(dāng)年的快速增長(zhǎng)有關(guān)。而且，全球首個(gè)專門的學(xué)術(shù)期刊《腦機(jī)接口》（Brain-Computer Interfaces）在2013年創(chuàng)刊；2015年，國(guó)際腦機(jī)接口協(xié)會(huì)成立，旨在促進(jìn)研發(fā)使人們能夠通過大腦信號(hào)與世界交互的技術(shù)。

圖1 2010-2021年腦機(jī)接口領(lǐng)域的論文發(fā)表情況

2.1.2 腦機(jī)接口相關(guān)專利的申請(qǐng)情況

專利是技術(shù)研發(fā)的成果和載體，能夠體現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的水平和能力。在腦機(jī)接口領(lǐng)域，全球所有類型專利的申請(qǐng)數(shù)量均呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。共檢索到腦機(jī)接口相關(guān)專利7 452件。由圖2可見，從2014年開始，專利數(shù)量增加速度加快，而在2017年之后增加速度更加迅猛。由于各國(guó)/地區(qū)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)監(jiān)管部門通常在收到專利申請(qǐng)的18個(gè)月后才將相關(guān)信息公開，故2020年的部分專利申請(qǐng)尚未統(tǒng)計(jì)入內(nèi)，導(dǎo)致可檢索到的專利申請(qǐng)數(shù)量較上一年稍有下降。

在發(fā)明專利、實(shí)用新型專利和外觀設(shè)計(jì)專利三種類型專利中，發(fā)明專利最具有創(chuàng)新價(jià)值和技術(shù)含量。腦機(jī)接口領(lǐng)域的發(fā)明專利占到所有專利的89.16%，表明該領(lǐng)域的專利成果整體上創(chuàng)造性、新穎性較高。而一個(gè)領(lǐng)域的發(fā)明專利授權(quán)率可以表征該領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)創(chuàng)新的質(zhì)量高低，腦機(jī)接口領(lǐng)域發(fā)明專利的平均授權(quán)率為45.53%，略高于中國(guó)國(guó)內(nèi)所有技術(shù)類別的授權(quán)率（41.61%）。從圖2中可見，自2016年開始，專利授權(quán)數(shù)量與專利申請(qǐng)數(shù)量的差距加大，且逐年明顯，這應(yīng)該與專利平均2～5年的授權(quán)周期有關(guān)，而與專利質(zhì)量無關(guān)。

圖2 2010-2020年腦機(jī)接口領(lǐng)域的專利申請(qǐng)及其授權(quán)的情況

2.2 腦機(jī)接口研發(fā)實(shí)力分布

2.2.1 腦機(jī)接口相關(guān)論文的國(guó)家分布情況

從圖3可見，美國(guó)發(fā)表的腦機(jī)接口相關(guān)論文數(shù)量居全球首位，十余年間共發(fā)表2 077篇相關(guān)論文；中國(guó)居于其后。美國(guó)和中國(guó)的論文發(fā)表數(shù)量與其他國(guó)家拉開較大差距，表明這兩個(gè)國(guó)家在腦機(jī)接口領(lǐng)域的理論研究居世界前列。除中國(guó)以外，其他9個(gè)國(guó)家，包括亞洲的日本和韓國(guó)，均為發(fā)達(dá)國(guó)家。

圖3 2010-2021年腦機(jī)接口相關(guān)論文發(fā)表的前10國(guó)家情況

同時(shí)，美國(guó)在較大的論文發(fā)表數(shù)量基礎(chǔ)上，還保持著較高的篇均被引次數(shù)，表明美國(guó)在腦機(jī)接口領(lǐng)域不僅學(xué)術(shù)產(chǎn)出較多，而且學(xué)術(shù)影響力較大。中國(guó)的論文發(fā)表數(shù)量雖然僅次于美國(guó)，但其篇均被引用次數(shù)為前10國(guó)家中最低，表明中國(guó)目前在腦機(jī)接口領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究中，論文產(chǎn)出數(shù)量已不應(yīng)是關(guān)注的重點(diǎn)，提升論文的質(zhì)量和在學(xué)術(shù)界的影響力將成為下一階段的主要任務(wù)。德國(guó)在腦機(jī)接口領(lǐng)域既有較多的論文發(fā)表，其篇均被引用次數(shù)也居全球首位，表明德國(guó)的腦機(jī)接口研究有著較大優(yōu)勢(shì)。

2.2.2 腦機(jī)接口相關(guān)論文的被引用情況

一般來說，一個(gè)國(guó)家的論文數(shù)量占全球論文總量的比例，與其高被引論文數(shù)量占全球高被引論文總量的比例應(yīng)該是基本持平的。從表1可見，美國(guó)發(fā)表的腦機(jī)接口相關(guān)論文數(shù)量在全球占比為28.09%， 但其高被引論文數(shù)量在全球占比達(dá)到42.97%，兩者相差14.88%，美國(guó)發(fā)表論文的學(xué)術(shù)影響力可見一斑。德國(guó)的情況與此類似，兩者差值達(dá)到13.78%。而中國(guó)與此正好相反，以全球占比19.43%的論文發(fā)表數(shù)量，僅占到全球高被引論文的13.24%。西班牙和加拿大的情況與中國(guó)類似，以上國(guó)家兩比例的差值均呈現(xiàn)負(fù)值，表明該三個(gè)國(guó)家所發(fā)表的學(xué)術(shù)成果沒有達(dá)到預(yù)期的平均學(xué)術(shù)影響力，其中以中國(guó)為甚。

表1 2010-2021年腦機(jī)接口論文發(fā)表前10國(guó)家的被引用情況

2.2.3 腦機(jī)接口相關(guān)論文的機(jī)構(gòu)發(fā)表情況

如圖4所示，中國(guó)僅有2所機(jī)構(gòu)進(jìn)入全球腦機(jī)接口論文發(fā)表數(shù)量最多的前15機(jī)構(gòu)，中國(guó)科學(xué)院排名第1；美國(guó)有4所機(jī)構(gòu)排名前15位，英國(guó)有3所，德國(guó)有2所，而奧地利、法國(guó)、韓國(guó)和加拿大各有1所機(jī)構(gòu)入圍。以上機(jī)構(gòu)均為大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)。中國(guó)的腦機(jī)接口論文總量雖然居全球第2位，但僅有2所機(jī)構(gòu)突出，比較而言，英國(guó)和德國(guó)的頂尖機(jī)構(gòu)優(yōu)勢(shì)更為明顯。不過，日本的論文總量居全球第5位，卻沒有一個(gè)機(jī)構(gòu)入圍，表明日本在腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究更為分散。從論文的被引用情況來看，中國(guó)科學(xué)院的論文發(fā)表數(shù)量雖然居全球第1位，但其篇均被引用次數(shù)居前15機(jī)構(gòu)中最低，僅16次/篇。清華大學(xué)雖然論文發(fā)表數(shù)量?jī)H居全球第15位，但其篇均被引次數(shù)居全球第3位。篇均被引次數(shù)最高的為德國(guó)柏林工業(yè)大學(xué)，達(dá)到60次/篇 ，其次為美國(guó)的斯坦福大學(xué)。這表明中國(guó)機(jī)構(gòu)在加強(qiáng)產(chǎn)出腦機(jī)接口領(lǐng)域研究成果同時(shí)，還需要進(jìn)一步提高論文質(zhì)量及其學(xué)術(shù)影響力。

圖4 2010-2021年腦機(jī)接口領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量前15機(jī)構(gòu)情況

2.2.4 腦機(jī)接口相關(guān)專利的技術(shù)來源地情況

根據(jù)專利技術(shù)的來源地可以獲得該技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新的優(yōu)勢(shì)國(guó)家/地區(qū)。從圖5可見，中國(guó)申請(qǐng)人申請(qǐng)了全球最多數(shù)量的腦機(jī)接口相關(guān)專利，達(dá)到3 444件，其中發(fā)明專利3 051件，發(fā)明專利率為88.59%，略低于全球平均水平（89.16%）。而美國(guó)共申請(qǐng)了1 299件專利，發(fā)明專利率為91.30%。從專利技術(shù)來源地看，亞洲地區(qū)在腦機(jī)接口領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力較強(qiáng)，中國(guó)、韓國(guó)、日本、印度和中國(guó)臺(tái)灣5個(gè)國(guó)家/地區(qū)所申請(qǐng)的專利數(shù)量進(jìn)入了全球前10位。其余的5個(gè)國(guó)家均為西方發(fā)達(dá)國(guó)家：美國(guó)、以色列、加拿大、德國(guó)、荷蘭。

圖5 2010-2021年腦機(jī)接口相關(guān)專利的技術(shù)來源地分布情況

2.2.5 腦機(jī)接口相關(guān)專利的國(guó)際專利申請(qǐng)情況

一個(gè)國(guó)家的申請(qǐng)人在本國(guó)以外的國(guó)家/地區(qū)申請(qǐng)的國(guó)際專利，一般來說，是具有較高技術(shù)含量和較廣闊市場(chǎng)前景的專利技術(shù)；而且，由于申請(qǐng)國(guó)際專利的費(fèi)用較高，加上翻譯等工作流程比較耗時(shí)，故國(guó)際專利的質(zhì)量相對(duì)較高，因此一個(gè)國(guó)家的國(guó)際專利比例成為專利質(zhì)量的指標(biāo)之一。從圖6可見，中國(guó)的專利申請(qǐng)數(shù)量雖然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他國(guó)家，但中國(guó)的國(guó)際專利比例僅為3.83%，遠(yuǎn)低于以色列的100%，甚至低于同為發(fā)展中國(guó)家的印度的12.07%。另外，韓國(guó)的國(guó)際專利比例也不高。

圖6 2010-2021年腦機(jī)接口專利前10技術(shù)來源地的國(guó)際專利

2.2.6 腦機(jī)接口相關(guān)專利的機(jī)構(gòu)申請(qǐng)情況

從表2可見，腦機(jī)接口專利的前20位申請(qǐng)機(jī)構(gòu)中，美國(guó)占到11個(gè)，而且第1和第2位全是美國(guó)的企業(yè)，美國(guó)共有7家企業(yè)進(jìn)入全球機(jī)構(gòu)20強(qiáng)。中國(guó)有5個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)入，分別為天津大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)，全部為大學(xué)。此外，荷蘭、日本、以色列、加拿大各有1家機(jī)構(gòu)的腦機(jī)接口專利申請(qǐng)數(shù)量進(jìn)入全球前20位，除日本外，其他3個(gè)國(guó)家的機(jī)構(gòu)均為企業(yè)。企業(yè)是將科技成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的直接執(zhí)行者，技術(shù)研發(fā)應(yīng)以企業(yè)為主體。中國(guó)的腦機(jī)接口研發(fā)占優(yōu)勢(shì)的機(jī)構(gòu)全為大學(xué)，表明離技術(shù)的實(shí)際開發(fā)應(yīng)用還有一定距離。

續(xù)表

2.3 腦機(jī)接口研究熱點(diǎn)演變

為了了解腦機(jī)接口領(lǐng)域在最近十余年間的研究熱點(diǎn)及其變化情況，將2010—2021年按每2年一段劃分為6個(gè)時(shí)間段，分別選取該時(shí)間段內(nèi)的高被引論文進(jìn)行引文耦合分析得到主題類似的聚簇，再對(duì)聚簇主題進(jìn)行解讀，獲得每個(gè)時(shí)間段的研究熱點(diǎn)（見圖7）。

圖7 2010—2021年間腦機(jī)接口領(lǐng)域的熱點(diǎn)論文聚簇圖

腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)隨著時(shí)間的推移有著明顯的變化。誘發(fā)腦電在2010年左右的研究熱點(diǎn)以P300為主；在2012年左右以穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）為主；其后還有運(yùn)動(dòng)相關(guān)皮層電位（MRCP）相關(guān)研究；近兩年以顏色、觸覺刺激作用研究為熱點(diǎn)。植入式腦機(jī)接口一直是腦機(jī)接口領(lǐng)域的熱點(diǎn)，從2014年開始碳纖維電極獲得較多關(guān)注；石墨烯纖維電極自2018年開始成為熱點(diǎn)內(nèi)容；生物相容性的柔性有機(jī)材料是目前的研發(fā)熱點(diǎn)。信號(hào)獲取方面，腦電圖（EEG）和近紅外光譜（NIRS）開始被分別研究，之后兩者被結(jié)合使用；越來越多的可穿戴腦機(jī)接口被關(guān)注。信號(hào)處理提取分類的模式和算法占研究熱點(diǎn)的比重越來越高，在2010年僅少量的公共空間模式（CSP）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）研究是熱點(diǎn)，但近兩年，更多種類的算法（如深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)和黎曼幾何分類器）被關(guān)注，而且很多研究將多種算法結(jié)合使用以提高分類準(zhǔn)確度。最后，在應(yīng)用方面，腦機(jī)接口對(duì)運(yùn)動(dòng)障礙（如中風(fēng)、帕金森病、肌萎縮側(cè)索硬化癥、意識(shí)障礙等疾?。┑脑\斷治療，輪椅/假肢/機(jī)器人等的控制一直是研究的熱點(diǎn)；近年，學(xué)習(xí)機(jī)理、情緒識(shí)別、腦功能研究如大腦重構(gòu)等也受到高度關(guān)注。具體情況見表3所示。

表3 2010—2021年間腦機(jī)接口領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的演化情況

續(xù)表

3 結(jié)論

腦機(jī)接口相關(guān)論文和專利的數(shù)量呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)。該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)隨著時(shí)間的推移有著明顯的變化，植入式腦機(jī)接口熱點(diǎn)多為新型生物柔性電極材料；可穿戴腦機(jī)接口系統(tǒng)越來越成為關(guān)注熱點(diǎn)；腦電圖、近紅外光譜、眼電圖等大腦活動(dòng)信號(hào)趨于結(jié)合采集使用；多種算法特別是深度學(xué)習(xí)方法不斷提出，而且也趨于結(jié)合使用以提高識(shí)別準(zhǔn)確性。

美國(guó)、中國(guó)和德國(guó)發(fā)表的相關(guān)論文數(shù)量較多。其中德國(guó)論文的學(xué)術(shù)影響力較高，高被引論文占比超過10%；美國(guó)的高被引論文比例比預(yù)期值高出較多；中國(guó)論文發(fā)表數(shù)量雖然僅次于美國(guó)，但其篇均被引用次數(shù)為前10國(guó)家中的最低。全球腦機(jī)接口領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)量最多的機(jī)構(gòu)為中國(guó)科學(xué)院，但其篇均被引用次數(shù)居全球前15位機(jī)構(gòu)中最低；清華大學(xué)的學(xué)術(shù)影響力較之而言表現(xiàn)更好。中國(guó)和美國(guó)申請(qǐng)的腦機(jī)接口相關(guān)專利較多，但中國(guó)的國(guó)際專利比例過低，且企業(yè)參與技術(shù)研發(fā)程度不夠充分。這表明中國(guó)目前在腦機(jī)接口領(lǐng)域，不論是基礎(chǔ)研究還是技術(shù)研發(fā)方面，論文和專利等成果的產(chǎn)出數(shù)量已經(jīng)不應(yīng)該再成為關(guān)注的重點(diǎn)，而應(yīng)注重提升學(xué)術(shù)研究和技術(shù)創(chuàng)新的質(zhì)量，針對(duì)腦機(jī)接口目前在實(shí)際應(yīng)用中的瓶頸（如有效信號(hào)的獲取和分類準(zhǔn)確性的提高等問題）開展創(chuàng)新性高質(zhì)量研發(fā)?！?/p>