脑机接口行业发展历程及产业链发展情况
思瀚产业研究院    2024-06-24

脑机接口概述

脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI )是在大脑与外部环境之间建立起的、不依赖于外周神经通路的交流与控制通道，从而实现大脑与外部设备的直接交互。

脑机接口的基本流程包括脑电采集、信号获取、信号处理、信号输出/执行、触发反馈信号，首先需要通过电极采集到原始脑电数据，并通过降噪、放大等方式排除噪声、电磁等环境影响，得到高质量的脑电数据后，基于深度学习算法/专家知识将脑电信号转换为计算机信号，对计算机信号进行特征提取和分类判断进而形成指令，执行指令进而实现通过电、磁、超声等方式的评估调节治疗，或通过控制外部设备实现人机交互，或对该过程直接进行科研借鉴。

脑机接口系统可以根据脑信号采集的方式，分为侵入式和非侵入式脑机接口；或根据脑机接口范式/感觉刺激/采用的信号进行分类，可分为单一范式/单一感觉刺激/单一脑信号的脑机接口和混合脑机接口。

不同的深度脑机接口检测到的信号的精细度和特征不同，非侵入式脑机接口如头戴式脑电帽，检测到的信号被称为 EEG，是距离皮层较近的按特定几何形态排布并被同步激活的大量神经元突触活动。侵入式脑机接口可以分为皮层脑电（ECoG）和深部脑电信号，皮层脑电是指直接从皮层获得的电信号记录。

深部脑电信号可分为单个神经元信号（Spike）和局部场电位（LFP）。侵入式脑机接口可以获得更高强度、高质量的信号，但具备较高的经济成本和较大安全风险；非侵入式脑机接口采集信号偏弱，但可以有效避免手术及不良反应的发生。

发展历程：从学术探索到应用试验，国内外加速发展

脑机接口的发展历程可以分为学术探索阶段、科学论证阶段和应用试验阶段，目前脑机接口技术正在第三个阶段中蓬勃发展。

学术探索阶段主要是脑电波以及与大脑不同状态相关的α波和β波的发现，伴随着 1969 年研究员埃伯哈德·费兹（Eberhard Fetz）设计游戏使猴子通过特定思考来触发仪表盘的指针转动从而获得游戏奖励，此后科学家尝试通过解码大脑电信号来控制外部设备，脑机接口发展迈入科学论证阶段，在此期间科学论证的研究日益增多。随着神经科学与相关技术的不断突破，脑机接口技术开始快速发展。

21 世纪以来，以 Neuralink 为代表的脑机接口公司陆续推出产品，并于 2023 年获批进行人体实验，脑机接口领域的学术研究、临床应用和产业创新进程持续加速中。国内脑机接口研究起步较晚，但近年来发展迅猛。

自上世纪 90 年代起，我国陆续在“北上广”及重点省会城市成立脑科学研究相关中心和实验室，并于 2017 年、2018 年、2023 年分别成立了类脑智能技术及应用国家工程实验室、北京脑科学与类脑研究中心、中国脑机接口产业联盟，推动脑机接口行业的创新和发展。2020 年，浙江大学完成国内首例侵入式脑机接口人体试验，七旬患者可以完全利用大脑皮层信号精准控制外部机械臂和机械手完成握手、拿取饮料等日常活动。

2023 年，清华大学医学院在宣武医院完成首例无线微创植入脑机接口 NEO 人体试验，患者可以通过脑电活动驱动气动手套，实现自主喝水等脑控功能，抓握解码准确率超过 90%，此外患者脊髓损伤的 ASIA 临床评分和感觉诱发电位响应均有显著改善。

产业链处于早期阶段，成熟产业化道阻且长

脑机接口产业链可以分为上游、中游和下游三个环节，上游包括脑电采集设备（非侵入式电极和侵入式微电极）、BCI 芯片、处理计算机/数据集和处理算法、操作系统级分析软件和外部嵌套等，参与者包括芯片和脑电采集设备商、操作系统和软件商、数据分析商等；中游主要包括脑电采集平台型公司、脑机接口设备型公司；下游则包括医疗健康、教育培训、游戏娱乐、军事国防等商业应用领域及医疗机构、科研机构、高校等研究应用领域。

全球脑机接口产业链仍处于初期发展阶段，上游设备尚未实现标准化量产，BCI 芯片和算法是核心技术壁垒。受制于脑机接口现有规模有限性及产业链建设的高成本，目前我国脑机接口产业链发展不够完善，芯片领域是我国脑机接口产业链最薄弱的环节，对德州电气（信号处理芯片 TI AD1299）、意法半导体（程序控制单片机 STM32）等国外厂商有较强依赖性。设计 BCI 芯片的技术壁垒主要源自模拟电路设计的复杂性、对低功耗的严格要求以及实现无线能量传输的能力。

BCI 芯片设计方案分为通用方案与专用 ASIC（Application-SpecificIntegrated Circuit）方案，通用方案因其广泛的适用性而能在多种应用场景中发挥作用，而专用 ASIC 方案则针对特定需求进行深度定制，从而在性能和功耗优化上表现更为出色，业内领先的企业和高校，如 Neuralink、布朗大学和复旦大学等，已着手研发脑机接口专用的 ASIC 芯片。

此外，脑机接口产业链的体系化特征显著，任一环节的低效率（如手术植入效率的不足）都会直接影响整体植入方案的效果，从而限制应用场景的拓展。目前，我国脑机接口平台的核心组件仍然高度依赖进口，我国在此领域的国产化程度尚显不足。

为了在全球脑机接口技术竞争中占据有利地位甚至实现赶超，我国急需提升核心零部件的国产化率、全面加强脑机接口技术的产业链建设，确保各环节的高效衔接，以推动国内脑机接口产业的持续健康发展。

关键技术：材料、芯片、数据处理、医学技术为核心竞争力

在脑机接口的工作过程中，脑机接口材料和芯片、脑机接口数据处理相关技术、脑机接口医学相关技术是核心环节，需要计算机、自动化、材料学、微电子、基础医学、临床医学、神经科学、神经工程、运动康复、心理学多个学科领域专家们的共同努力与紧密合作，还需数据管理、机器学习、软件工程等数据处理方面的技术手段作为支持。

脑机接口的核心竞争点之一在材料和芯片，使用寿命长、生物相容性高、可获取更高分辨率信号的侵入式材料和兼顾电特性/舒适性/便捷性的非侵入式材料能够从源头提升信号质量；芯片负责信号模数转换，其技术关键在于提升采集分辨率、减少干扰，材料和芯片共同影响脑机接口的整体质量及应用。

脑机接口数据处理技术的核心在于将脑电信号解码为指令，研究焦点在于优化信号处理和转换算法，涵盖数据预处理、数据管理、机器学习及软件工程，同时依赖高性能计算能力，以实现高效的信号转换。此外，医学技术是决定脑机接口能否发挥应用效果的最后一环，非侵入式接口依赖医学指导而侵入式接口则需临床医生专业技术完成植入。

发展挑战：技术和商业化挑战不减，伦理安全问题仍需重视

脑机接口在发展过程中面临着交叉学科的复杂性、基础理论框架不足、技术成熟度低、商业化和产业化挑战，以及隐私、数据安全及伦理问题，距离成熟产业化发展仍有很长的路要走。目前尚无统一的脑机接口基础理论框架，也缺乏对系统性能进行科学评判的统一标准。作为跨学科研究领域，脑机接口技术发展有赖于神经科学、材料科学、生物医学工程、计算机科学等多学科人才的协作和知识整合。

技术发展也面临诸多挑战，当前对人脑研究仍相对付钱，神经元机理等脑机制研究有待深入；硬件方面，脑电采集和分析设备主要依赖国外厂商且便携性较差，急需国产化、便携化、高性能的脑电采集及记录的硬件作为技术转化的基础和技术落地的载体；软件方面，目前软件工作包通常仅针对单一环节，增加了研发成本、周期和跨领域合作门槛，不利于技术的快速迭代发展。由于脑机接口技术和市场仍属早期阶段，产品合规性存在疑问，缺乏相关法律遵循，导致完整的商业化发展难以实现。

脑机接口技术的应用还可能会涉及到隐私、数据安全和伦理问题，需要引起足够的重视，如黑客攻击、意念控制、数据窃取等隐私安全问题，以及人性问题、伦理问题、审查问题等。

医疗健康是脑机接口最重要的应用领域

医疗健康是目前脑机接口最大的市场应用领域，也是最主要且最接近商业化的领域，下游应用解决方案企业中医疗方向占比过半。脑机接口产业下游相关企业近 350 家，较明晰的应用方向不少于 30 种，主要分为医疗和非医疗两类，其中医疗企业占比 56%，消费、工业、教育等非医疗企业占比 44%。当前脑机接口领域的植入式技术均面向医疗，此外也有部分非植入式技术用在医疗中。

在医疗健康领域，BCI 技术可以跨越常规的大脑信息输出通路，实现大脑与外部设备的直接交互，通过 BCI 设备获取运动、视觉、听觉、语言等大脑区域的信息并分析，实现对疾病的监测诊断、治疗、康复、管理和预防。非医疗领域应用方向包括工业安全监测、车内交互控制和疲劳检测、对外交互、外设控制、游戏控制、体育训练和人才选拔、模拟训练和体验、产品优化、安全识别认证等。

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