Công nghệ giao diện não-máy tính: Từ khoa học viễn tưởng đến hiện thực

Trong phim "Ma trận", nhân vật chính được kết nối với hệ thống ma trận thông qua giao diện não-máy tính và có thể ra vào tự do trong thế giới ảo. Trong bộ phim "Avatar", suy nghĩ của một người có thể điều khiển một avatar ở hành tinh khác. Bằng cách xây dựng một giao diện trong bộ não, chúng ta có thể điều hướng thế giới máy tính, chúng ta có thể thay đổi "thực tế" chỉ bằng một ý nghĩ. 

Những cảnh kinh điển trong phim khoa học viễn tưởng này giờ đây đã trở thành hiện thực. Trong thời đại công nghệ thay đổi nhanh chóng như hiện nay, công nghệ giao diện não-máy tính chắc chắn là vua công nghệ và rất có khả năng đẩy nền văn minh nhân loại sang giai đoạn tiếp theo. 

Các loại giao diện não-máy tính

Trước khi giới thiệu các ứng dụng của công nghệ giao diện não-máy tính, chúng ta cần hiểu cách phân loại công nghệ giao diện não-máy tính. Tùy theo việc công nghệ giao diện não-máy tính có cần xâm lấn não hay không, chúng ta có thể chia nó thành hai loại: xâm lấn và không xâm lấn. 

Công nghệ giao diện não-máy tính xâm lấn đề cập đến nhu cầu cấy các điện cực hoặc các thiết bị khác vào não hoặc hệ thần kinh để đạt được kết nối trực tiếp với não. Ưu điểm của công nghệ này là khả năng đạt được chất lượng và độ phân giải tín hiệu cao hơn, cho phép điều khiển chính xác và tinh vi hơn. 

Tuy nhiên, nhược điểm của công nghệ này cũng rất rõ ràng, đòi hỏi phải phẫu thuật, có những rủi ro và tác dụng phụ nhất định, tốn kém và không phù hợp với người bình thường. Công nghệ giao diện não-máy tính không xâm lấn có nghĩa là không cần xâm lấn não mà ghi lại và phân tích các tín hiệu điện của não thông qua các điện cực hoặc các cảm biến khác trên da đầu hoặc các bộ phận khác, từ đó đạt được kết nối gián tiếp với não. Ưu điểm của công nghệ này là không cần phẫu thuật, an toàn, tiện lợi hơn, giá thành thấp hơn nên phù hợp cho người dân bình thường sử dụng.

Tuy nhiên, nhược điểm của kỹ thuật này là chất lượng và độ phân giải tín hiệu thấp hơn, dẫn đến độ chính xác và độ phức tạp điều khiển thấp hơn. Ngoài sự khác biệt về tính xâm lấn, công nghệ giao diện não-máy tính cũng có thể được chia thành hai loại theo hướng truyền thông tin: loại đọc và loại ghi. 

Công nghệ giao diện máy tính-não đọc đề cập đến việc đọc thông tin từ não để điều khiển các thiết bị bên ngoài. Ứng dụng của công nghệ này chủ yếu nhằm giúp những người khuyết tật hoặc bị mất một số chức năng cảm giác phục hồi hoặc nâng cao khả năng của mình như cho phép họ di chuyển chân tay giả, điều khiển xe lăn, đánh máy, chơi game, v.v. thông qua suy nghĩ. 

Công nghệ giao diện não-máy tính ghi vào não đề cập đến việc ghi thông tin vào não để kích thích hoặc thay đổi não. Việc ứng dụng công nghệ này chủ yếu nhằm giúp những người bị tổn thương não hoặc thiếu kiến thức, kỹ năng nhất định phục hồi hoặc nâng cao khả năng của mình như cho phép họ trải nghiệm thị giác, thính giác, xúc giác… thông qua các thiết bị bên ngoài, hoặc trực tiếp truyền tải kiến thức hoặc kỹ năng đến não.

Các ứng dụng giao diện não-máy tính đọc xâm lấn

Việc áp dụng công nghệ giao diện não-máy tính đọc xâm lấn chủ yếu nhằm giúp những người khuyết tật về thể chất phục hồi hoặc tăng cường khả năng vận động. Trong số đó, ví dụ nổi tiếng nhất là dự án BrainGate, đây là dự án nghiên cứu được phối hợp thực hiện bởi các tổ chức như Đại học Brown, Bệnh viện Đa khoa Massachusetts và Đại học Stanford ở Hoa Kỳ nhằm mục đích phát triển một máy tính não cho phép bệnh nhân bị liệt điều khiển các thiết bị bên ngoài thông qua suy nghĩ. 

Trọng tâm của dự án BrainGate là một thiết bị có tên là Neuron Electrode Array, một con chip được tạo thành từ 100 điện cực nhỏ có thể được cấy vào vỏ não vận động của não để thu giữ các tế bào thần kinh trong não điều khiển chuyển động và tín hiệu điện. Sau khi khuếch đại, lọc và giải mã, các tín hiệu điện này có thể được chuyển đổi thành hướng dẫn điều khiển các thiết bị bên ngoài, như điều khiển con trỏ máy tính, cánh tay robot, xe lăn, v.v.

Dự án BrainGate đã trải qua quá trình thử nghiệm lâm sàng trong nhiều năm, hiện nay đã có hàng chục bệnh nhân bị liệt được cấy ghép hệ thống giao diện não-máy tính này và đã đạt được một số kết quả đáng khích lệ. Ví dụ, một phụ nữ mắc chứng xơ cứng teo cơ một bên có thể sử dụng hệ thống giao diện não-máy tính này để điều khiển cánh tay robot thông qua suy nghĩ của mình, từ đó thực hiện các hành động hàng ngày như cầm cốc, uống nước và đánh răng. 

Ngoài ra còn có một người đàn ông bị chấn thương tủy sống có thể điều khiển chiếc xe lăn bằng suy nghĩ của mình thông qua hệ thống giao diện não-máy tính này, nhờ đó đạt được quyền tự do di chuyển trong nhà và ngoài trời. Những ví dụ này cho thấy công nghệ giao diện não-máy tính đọc xâm lấn đã đạt được mức độ khả thi và hiệu quả nhất định, mang lại hy vọng và cải thiện cuộc sống cho những bệnh nhân bị liệt.

Các ứng dụng giao diện não-máy tính đọc không xâm lấn

Việc ứng dụng công nghệ giao diện não-máy tính đọc không xâm lấn chủ yếu nhằm giúp những người khỏe mạnh nâng cao hoặc mở rộng khả năng nhận thức và hành vi. Trong số đó, ví dụ tiêu biểu nhất là Neuralink, công ty được Elon Musk thành lập vào năm 2016 để phát triển hệ thống giao diện não-máy tính cho phép con người và trí tuệ nhân tạo giao tiếp liền mạch. 

Mục tiêu của Neuralink là phát triển một thiết bị gọi là lưới thần kinh, một màng linh hoạt bao gồm hàng nghìn vi điện cực có thể được phủ không xâm lấn lên bề mặt não thông qua các vết rạch nhỏ trên da đầu để đạt được sự giao tiếp với não. não. Ưu điểm của loại thiết bị này là không cần phẫu thuật và không gây tổn thương não, đồng thời có thể truyền tải thông tin mật độ cao, băng thông cao và hai chiều, từ đó đạt được các chức năng tiên tiến và đa dạng hơn.

Tầm nhìn của Neuralink là cho phép con người tích hợp với AI thông qua mạng lưới thần kinh, từ đó nâng cao trí thông minh và khả năng của con người để đối phó với những thách thức và cơ hội trong tương lai. Ví dụ, con người có thể trực tiếp tải xuống và tải lên kiến thức, kỹ năng và ký ức thông qua mạng lưới thần kinh để đạt được khả năng học tập nhanh chóng và hiệu quả, con người có thể đạt được khả năng thần giao cách cảm với người hoặc động vật khác thông qua mạng lưới thần kinh để đạt được sự giao tiếp sâu sắc hơn. 

Tuy nhiên dự án này vẫn đang ở giai đoạn đầu và chưa tiết lộ bất kỳ sản phẩm hoặc dịch vụ thực tế nào, nhưng nó đã đạt được một số tiến bộ trong thí nghiệm trên động vật. Ví dụ, họ đã cấy thành công mạng lưới thần kinh vào não khỉ và cho phép nó điều khiển trò chơi máy tính thông qua suy nghĩ của mình. Musk cho biết họ có kế hoạch bắt đầu thử nghiệm lâm sàng trên người trong năm nay và tung ra sản phẩm ra công chúng trong vài năm tới.

Các ứng dụng giao diện não-máy tính dựa trên ghi xâm lấn

Việc ứng dụng công nghệ giao diện não-máy tính ghi xâm lấn chủ yếu nhằm giúp những người bị tổn thương não phục hồi hoặc tăng cường khả năng cảm giác. Trong số đó, ví dụ có ảnh hưởng nhất là hệ thống thần kinh thị giác giả, một hệ thống giao diện não-máy tính có thể khôi phục một phần thị lực cho người khiếm thị. 

Nguyên lý của bộ phận giả thần kinh thị giác là sử dụng các điện cực hoặc các thiết bị khác để kích thích vỏ não thị giác nhằm tạo ra cảm giác thị giác. Hệ thống này thường bao gồm ba phần: máy ảnh, bộ xử lý và bộ kích thích. Máy ảnh chịu trách nhiệm ghi lại hình ảnh của thế giới bên ngoài, bộ xử lý chịu trách nhiệm chuyển đổi hình ảnh thành tín hiệu điện và bộ kích thích chịu trách nhiệm truyền tín hiệu điện đến vỏ thị giác của não. Bằng cách này, người khiếm thị có thể cảm nhận được hình ảnh của thế giới bên ngoài thông qua vỏ thị giác của não, từ đó phục hồi một phần thị lực. 

Hiện nay trên thế giới có một số sản phẩm hoặc nguyên mẫu của thiết bị giả thần kinh thị giác đang được thử nghiệm lâm sàng hoặc thương mại hóa. Tác dụng của các sản phẩm hoặc nguyên mẫu này khác nhau, nhưng chúng đều cho phép người khiếm thị cảm nhận được một số thông tin thị giác cơ bản, chẳng hạn như ánh sáng và bóng tối, hình dạng, chuyển động, v.v. Mặc dù thông tin hình ảnh này không thể so sánh được với tầm nhìn bình thường nhưng nó đã là một cải tiến lớn và giúp ích cho người mù, cho phép họ thích nghi và tham gia tốt hơn vào đời sống xã hội.

Các ứng dụng giao diện não-máy tính ghi không xâm lấn

Việc ứng dụng công nghệ giao diện não-máy tính ghi không xâm lấn chủ yếu nhằm giúp những người còn thiếu kiến thức hoặc kỹ năng nhất định nâng cao hoặc mở rộng khả năng nhận thức của mình. Trong số đó, ví dụ hứa hẹn nhất là chuyển giao kiến thức, một hệ thống giao diện não-máy tính cho phép con người tiếp thu kiến thức hoặc kỹ năng trực tiếp từ các thiết bị bên ngoài. 

Nguyên tắc của việc truyền thụ kiến thức là sử dụng sóng điện từ hoặc các phương pháp khác để kích thích các vùng cụ thể của não, từ đó làm thay đổi các kết nối thần kinh của não và hình thành ký ức hoặc kỹ năng mới. Những hệ thống như vậy thường bao gồm hai phần: bộ phát và bộ thu. 

Bộ truyền có trách nhiệm chuyển đổi kiến thức hoặc kỹ năng thành sóng điện từ hoặc các tín hiệu khác, còn bộ thu có nhiệm vụ truyền tín hiệu đến các vùng cụ thể của não. Bằng cách này, con người có thể tiếp thu kiến thức hoặc kỹ năng thông qua các khu vực cụ thể của não, giúp học tập nhanh chóng và hiệu quả. Hiện tại, chuyển giao tri thức vẫn đang ở giai đoạn lý thuyết và thử nghiệm, chưa có sản phẩm hoặc dịch vụ trưởng thành nào xuất hiện, nhưng đã có một số nghiên cứu và bằng chứng sơ bộ cho thấy công nghệ này là khả thi và hiệu quả.

Ví dụ, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Dartmouth ở Hoa Kỳ đã cải thiện thành công khả năng toán học của một số tình nguyện viên bằng cách sử dụng một công nghệ gọi là kích thích dòng điện một chiều xuyên sọ. 

Công nghệ này là kỹ thuật đưa dòng điện yếu đến các vùng cụ thể của não thông qua các điện cực trên da đầu, có thể làm thay đổi hoạt động thần kinh và độ dẻo của não, từ đó ảnh hưởng đến khả năng học tập và ghi nhớ của não. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng bằng cách gắn các điện cực vào da đầu của tình nguyện viên và gửi dòng điện đến thùy đỉnh trái của họ, vùng não liên quan đến khả năng toán học, họ có thể thực hiện tốt hơn trong một số bài kiểm tra toán và hiệu ứng này có thể kéo dài đến sáu tháng. 

Những kết quả này chỉ ra rằng kích thích dòng điện một chiều xuyên sọ là một công nghệ chuyển giao kiến thức tiềm năng có thể cho phép con người nâng cao mức độ kiến thức hoặc kỹ năng nhất định trong một khoảng thời gian ngắn.

Từ phần giới thiệu trên, chúng ta có thể thấy công nghệ giao diện não-máy tính đã chứng tỏ tiềm năng và giá trị to lớn của nó trong nhiều lĩnh vực, mang lại nhiều tiện ích và cải thiện cho cuộc sống con người. Tuy nhiên, công nghệ giao diện não-máy tính còn lâu mới đạt đến giới hạn của nó và còn nhiều khả năng hơn đang chờ chúng ta khám phá và nhận ra. 

Tất nhiên, công nghệ giao diện não-máy tính không phải là không có rủi ro và thách thức, nó cũng có thể nảy sinh một số vấn đề về đạo đức, pháp lý và xã hội. Vì vậy, bên cạnh việc tận hưởng những lợi ích mà công nghệ giao diện não-máy tính mang lại, chúng ta cũng phải chú ý đến các biện pháp phòng ngừa và giải quyết các vấn đề nó mang lại để đảm bảo sự phát triển lành mạnh và bền vững của công nghệ giao diện não-máy tính.

Tham khảo: Zhihu