【研報】前沿科技行業：腦機接口從科幻到現實-20200509[22頁].pdf

1、 證券研究報告 2020 年 5 月 9 日 主題研究主題研究 前沿科技#1：腦機接口從科幻到現實 觀點聚焦 投資建議投資建議 我們認為腦機接口是重要的前沿科技之一， 短期非侵入式接口與 AR/VR 等技術相 結合，可能成為鍵盤，鼠標，觸摸屏之后下一代人機交互方式。長期來看，侵入 式接口能夠準確的捕捉大腦各個部位發出的信號， 幫助傷殘人士恢復對肢體的感 知。未來甚至可能出現像阿凡達，X-Men 等科幻電影中主人公那樣通過腦機接口 實現和機器人結合，打造超級人類。目前海外腦機接口技術領先的公司有 NeuraLink，Kernel，BrainGate，CTRL-Labs 和 Neurable 等，

2、國內也能看到 BrainCo 和博?？悼萍嫉葎摌I公司以及浙大和北京腦科學與類腦研究中心等研究團隊。 理由理由 非侵入式接口有望顛覆人機交互方式。非侵入式接口有望顛覆人機交互方式。人機交互方式從最初的鍵盤鍵盤+文字顯示文字顯示， 到 PC 時代的鍵盤鍵盤+鼠標鼠標+圖形顯示，圖形顯示，智能手機時代的觸摸屏觸摸屏，再到 VR/AR 時代利 用各種傳感器捕捉手勢及眼部活動完成交互。 腦機接口腦機接口直接捕捉大腦各部位產生 的電信號，將電信號處理后用于控制電子設備，具備信息種類多、反應速度快等 優勢。被 Facebook 收購的 CTRL-Labs 已經實現了捕捉肌電信號與腦電信號結合， 并完成設備控

3、制。目前，CTRL-Labs 已經把該技術用于筆記本電腦控制，能夠在 不作出任何動作的情況下實現基礎的鼠標、鍵盤操作。在并入 Facebook 的虛擬 現實部門后，市場期望其能夠把腦機接口技術與 Oculus VR 結合，優化用戶體驗 并減少 VR 所需活動空間。 此外， 非侵入式接口還能夠對用戶進行神經反饋訓練， 強化某一頻段腦電波達到增強反應目的。 該技術已經被美國軍方用來訓練士兵的 認知和決策能力1。未來如果能夠將設備穩定性以及信號精準度等問題解決，我 們認為非侵入式接口有望成為下一代人機交互方式。 侵入式接口能夠使傷殘人士恢復感知， 有望打造超級人類。侵入式接口能夠使傷殘人士恢復感知，

4、 有望打造超級人類。通過手術將電極植入 大腦內部，實現高精準度信號監測，主要應用在醫療領域，能夠幫助脊髓或四肢 損傷患者控制義肢。2019 年 7 月，Musk 宣布其成立的 NeuraLink 已經研發出一 套腦機接口解決方案，能夠實現單個神經元監測，微創植入，提高信息傳輸帶寬 等功能，優勢是 1）減小創口面積，約為傳統侵入式創口的 1/20；2）高帶寬， 最多能夠監測超過 10,000 個神經元， 是 Utah array 的 10 倍以上。 最終， NeuraLink 希望實現人腦與 AI 設備自由交互，不受帶寬限制。此外，我們預計未來腦機接 口還有望被應用到更廣闊的領域， 甚至有望將非

5、人類感知能力轉變為人類感知能 力，比如對于超聲波的感知能力，以及感知磁場等能力，真正實現“硅基生物” 和“碳基生物”融合，打造超強人類，讓人腦進一步延伸發展。 中國腦機接口企業現狀：中國腦機接口企業現狀： 國內在侵入式腦機接口較為領先的研究機構包括浙江大 學和北京腦科學與類腦研究中心的團隊。其中，2020 年初，浙江大學附屬醫院 完成了國內首例 Utah array 電極植入，幫助病人實現日常生活行動。另一方面， 國內公司在非侵入式接口研究較為成熟， 其中， BrainCo 的專注力頭環產品在 2017 年已經正式上市，并且已在全球多個國家推廣。博?？悼萍荚?2017 年推出數字 腦電圖機和事

6、件相關電位系統等設備，實現了腦電采集及分析等功能。 風險風險 侵入式接口安全風險較高；腦機接口仍處于初創階段，發展或不及預期。 黃樂平黃樂平 分析員 SAC 執證編號：S0080518070001 SFC CE Ref：AUZ066 1 中金公司研究部：中金公司研究部：2020 年年 5 月月 9 日日 2 目錄目錄 腦機接口：腦信號完成機器控制，重新定義人機交互方式腦機接口：腦信號完成機器控制，重新定義人機交互方式 . 4 什么是腦機接口？ . 4 腦機接口分為侵入式和非侵入式 . 5 腦科學研究可以追溯到 1924 年，近期逐步開啟商業化發展 . 6 腦機接口有望成為鍵盤，鼠標，觸摸屏以后

7、下一代人機交互方式 . 7 腦機接口應用：侵入式接口多用于醫療領域，腦機接口應用：侵入式接口多用于醫療領域，EEG+EMG 提升非侵入接口操作精準度推動應用多元發展提升非侵入接口操作精準度推動應用多元發展 . 9 應用場景#1：醫療方面的運動輔助及義肢控制 . 9 應用場景#2：通過神經反饋訓練強化大腦反應 . 10 應用場景#3：借助 EEG 捕捉事件相關電波，完成溝通 . 11 主要公司介紹：玩家逐步進場，多領域同步發展主要公司介紹：玩家逐步進場，多領域同步發展. 12 NeuraLink：提升腦機接口帶寬減小創口面積，實現超精準感知 . 13 BrainCo & BrainRobotic

8、s：已具備成熟 C 端產品，逐步開拓用戶市場 . 14 CTRL-Labs（已被 Facebook 收購） ：通過手環捕捉肌電信號完成交互，有望在 VR 搭載 . 15 g.tec：腦機接口軟、硬件及整體解決方案供應商 . 16 Neurable：借助腦機接口優化 VRAR 人機交互方式，推動虛擬現實加速滲透 . 17 中國企業的發展機會 . 17 附錄：腦機接口技術原理詳解及近期重要論文追蹤附錄：腦機接口技術原理詳解及近期重要論文追蹤 . 18 腦機接口技術原理及相關交叉學科 . 18 近期論文：侵入式腦機接口幫助脊髓損傷患者恢復觸覺 . 19 圖表圖表 圖表 1: 腦機接口原理示意圖 .

9、4 圖表 2: 科幻電影里的腦機接口 . 5 圖表 3: 腦機接口發展歷史 . 6 圖表 4: 人機交互發展路徑 . 7 圖表 5: 全球腦機接口市場規模預測 . 8 圖表 6: 2019 年腦機接口應用方向 . 8 圖表 7: 腦機接口“摩爾定律” . 8 圖表 8: 腦機接口各應用發展及市場規模（氣泡代表 2025 年市場規模） . 8 圖表 9: BCI 協助運動輔助/恢復原理 . 9 圖表 10: BCI 機器設備協助恢復上肢運動功能 . 9 圖表 11: BCI 義肢控制原理 . 10 圖表 12: 國內首例侵入式腦機接口臨床實驗 . 10 圖表 13: BCI 輔助神經功能治療與調

10、節 . 10 圖表 14: 美國 DARPA 運用腦機接口進行軍事化測試 . 10 圖表 15: P300 拼寫器的字符矩陣 . 11 圖表 16: P300 溝通原理 . 11 圖表 17: 通過捕捉 P3 信號實現字母輸出 . 11 圖表 18: 國外 BCI 公司基本信息（2019） . 12 圖表 19: 國內 BCI 公司基本信息（2019） . 13 圖表 20: NeuraLink 植入方式示意圖 . 13 圖表 21: BrainCo 發展歷程 . 14 圖表 22: BrainRobotics 智能肌電義肢 . 14 圖表 23: BrainCo 主要產品，賦思頭環 Focu

11、s . 14 mNrOoOsOrMpRtRnMyQqRmP7NdN7NoMmMoMrReRqQnQiNrQqQbRpPvNxNqMqRuOnNmQ 中金公司研究部：中金公司研究部：2020 年年 5 月月 9 日日 3 圖表 24: Focus 軟硬件特點 . 14 圖表 25: Ctrl-labs 腕帶展開圖. 15 圖表 26: Ctrl-labs 腕帶操作 Chrome“跳躍的恐龍”游戲 . 15 圖表 27: Ctrl-labs 腕帶產品 . 15 圖表 28: g.tech 主要產品 . 16 圖表 29: g.tec 設備主要應用方向 . 16 圖表 30: Neurable VR

12、 產品特點 . 17 圖表 31: Neurable 產品使用 . 17 圖表 32: 腦電信號獲取橫截面圖 . 18 圖表 33: 大腦不同區域控制四肢及器官 . 18 圖表 34: 腦機接口數據采集原理（以運動想象為例） . 18 圖表 35: 腦機接口與各個學科交叉領域 . 19 圖表 36: 腦機接口幫助患者恢復觸覺 . 19 中金公司研究部：中金公司研究部：2020 年年 5 月月 9 日日 4 腦機接口：腦信號完成機器控制，重新定義人機交互方式 什么是腦機接口什么是腦機接口？ 腦機接口（Brain computer interface，BCI）是在人腦與計算機或其它電子設備之間建立

13、的 直接交流和控制通道。通過這種通道，用戶可以直接通過大腦思想來表達想法或操縱設 備，而不需要語言或動作。腦機接口實現可以分為四步：腦電采集-信號獲取及處理- 信號輸出（執行）反饋。 腦電采集：腦電采集：腦電采集是 BCI 的關鍵步驟，采集的效果、信號強弱、穩定性及帶寬大 小直接決定后續的處理及輸出。采集方式是通過不同類型的接口將大腦活動產生的 電波采集并轉換為電信號，傳輸至電腦。 信號獲取及處理：信號獲取及處理：信號處理是將轉化為電信號的大腦活動，去除干擾電波以及其他 信號，并將目標分類并處理，轉化為可以執行輸出的對應信號。 信號輸出信號輸出/執行：執行： 信號輸出是指將收集并處理后的腦電波

14、信號傳輸至已連接的設備器 材，執行目標動作或顯示目標內容等。 反饋：反饋：在信號執行后，設備會產生動作或顯示內容，參與者將通過視覺、觸覺或聽 覺感受到第一步產生的腦電波已被執行，并觸發反饋信號。 圖表1: 腦機接口原理示意圖 資料來源：中金公司研究部 信號處理信號處理 特征提取特征提取分類判斷分類判斷 運動輔助運動輔助/ /替代替代 溝通互動溝通互動 娛樂娛樂/ /游戲控制游戲控制 腦電采集腦電采集 觸發反饋信號觸發反饋信號 信號獲取信號獲取 信號輸出信號輸出/ /執行執行 2 1 34 5 6 Brain Computer Interface 中金公司研究部：中金公司研究部：2020 年年

15、5 月月 9 日日 5 腦機接口分為侵入腦機接口分為侵入式式和非侵入式和非侵入式 BCI 根據腦電信號獲取的方式，可分為非侵入式和侵入式。非侵入式接口是 ToC 端發展方 向，優點在于只需要通過相關設備對大腦皮層的表面信號進行分析，能夠直接進行采集 和處理信號不需要外科手術的介入。侵入式主要應用在醫療及康復領域，優點在于可以 精準監測腦電波信號，多用于義肢器械操作。 科幻電影中科幻電影中多次出現多次出現腦機接口腦機接口，引起，引起觀眾遐想觀眾遐想。在 1999 年上映的黑客帝國黑客帝國電影中， “矩陣”通過侵入式腦機接口和大腦神經連接，人類感受到視覺、聽覺、嗅覺、味覺等 訊號，以此囚禁人類的心

16、靈。在X-men中，X 教授通過“腦波強化機”能夠將腦電波 放大，與任何人實現連接。在阿凡達阿凡達電影中，主角通過 EEG 和 EMG 結合，能夠控制 納威人的身體，在潘多拉星球上行動。 圖表2: 科幻電影里的腦機接口 資料來源：ResearchGate，KenResearch，中金公司研究部 侵入式：精準捕捉腦電波，但手術創口較大，風險性高 侵入式接口通過手術等方式將電極直接植入到大腦內部，優點在于能夠獲得高質量的腦 電信號，但卻存在較高的安全風險和手術及接口零部件成本。此外，由于腦部出現異物 侵入，可能會引發人體自身免疫系統反應和愈傷組織干擾已植入的電極，導致信號質量 衰退甚至是消失，并且

17、手術傷口也容易出現難以愈合的情況及炎癥。 技術進步推動侵入式技術進步推動侵入式接口接口實現應用實現應用，NeuraLink 突破突破 MEA 帶寬極限帶寬極限。在 1977 年 Gross 首次應用 MEA(Microelectrode array)，但受限于當時的技術并不發達，腦部手術創 口約 2mm2且腦部能夠植入的 MEA 數量也在 10 個左右。隨著技術進步，創口逐漸縮小 腦機接口腦機接口 侵入侵入式式接口接口非侵入式接口非侵入式接口 黑客帝國黑客帝國阿凡達阿凡達X-men Micro wireMichigan arrayUtah arrayEMG/EEG 主主 要要 公公 司司 中金

18、公司研究部：中金公司研究部：2020 年年 5 月月 9 日日 6 且能夠植入的 MEA 數量迅速增長。NeuraLink 在 19 年宣布可以實現寬度在 4-6 微米的微 創 MEA，并且在腦部中可以植入超過 10000 根，能夠捕捉大量腦電信號。 非侵入式：無創接口，但感知精確度較低 非侵入式接口是只需通過在大腦頭皮使用特殊設備獲取腦電波信號并進行解讀，無需通 過創口將電極植入大腦。非侵入式接口雖然避免了手術風險及部分硬件成本，但是由于 顱骨對于大腦信號會產生隔離或衰減。此外，顱骨會對神經元發出的電波造成分散和模 糊，使得外部設備捕捉到的信號和清晰度較低。顱骨信號干擾導致設備難以確定信號源

19、 的對應腦區以及相關的具體神經元位置?，F階段非侵入式接口方式主要有 EEG 和 fMRI。 腦科學研究腦科學研究可以追溯到可以追溯到 1924 年，年，近期近期逐步逐步開啟開啟商業化商業化發展發展 腦科學研究是人類探索自身的研究過程腦科學研究是人類探索自身的研究過程，大致可分為三個階段。，大致可分為三個階段。1）腦結構理解：）腦結構理解：在 1924 年 Hansberger 發明了 EEG 腦電捕捉設備，實現了首次人類大腦電波獲取，并在之后的幾 年嘗試控制大腦信號并提出了腦機接口的概念；2）腦部信息讀?。海┠X部信息讀?。?1 世紀初，BrainGate 首次嘗試了侵入式腦機接口并且有較為成功

20、的效果，可以幫助患者控制機械做出簡單動 作； 3） 商業化落地：） 商業化落地： 隨著科技硬件逐步成熟， 腦機接口應用逐步多元， BrainCo、 NeuraLink 等公司發布商業化產品。此外，Facebook 也在 2019 年收購了 CTRL-Labs 進入腦機接口領 域，我們預計未來有望與 Oculus VR 結合，優化用戶體驗。 圖表3: 腦機接口發展歷史 資料來源：Journal of Neurology，ISHN，BrainGate，BrainCo，NeuraLink，浙江大學，中金公司研究部 Hansberger發現腦 電波并發明EEG 腦機接口的開端：腦機接口的開端： Wyr

21、wicka和Sterman首次 進行控制大腦信號嘗試 Jacques Vidal 首首 次提出次提出BCI概念概念 Guenter Gross首次應 用侵入式腦機接口 1996 Philip Kennedys首 次植入神經電極 2003 BrainGate展示首次 侵入式腦機接口 2006 BrainGate完成首個大腦運 動皮層侵入式接口手術 腦腦 結結 構構 理理 解解 2013 微創腦機微創腦機接口接口并 采用局部場電位 2018 BrainRobotics義肢 幫助殘疾人控制 假肢與郎朗合奏 腦腦 信信 息息 讀讀 取取 2019 Musk宣布NeutraLink發 布完整侵入式接口方

22、案 Facebook以5-10億美金 收購CTRL-Labs 2020 浙江大學完成國 內首例植入式腦 機接口臨床研究 商商 用用 化化 發發 展展 1924196819731977 2017 BrainCo專注力頭 環產品發布，面 向C端客戶 中金公司研究部：中金公司研究部：2020 年年 5 月月 9 日日 7 腦機接口有望成為腦機接口有望成為鍵盤鍵盤，鼠標，鼠標，觸摸屏以后下一代觸摸屏以后下一代人機交互方式人機交互方式 人機交互方式從按鍵、屏幕觸控、語音助手、手勢識別、眼部追蹤不斷發展，持續創新 推動人機交互方式更加便捷、智能。在各種感官均已在交互中占有一席之地之后，腦機 接口將腦電波作

23、為人機交互的新方式。我們認為，腦機接口將重新定義人機交互方式我們認為，腦機接口將重新定義人機交互方式， 主要體現在主要體現在 1）高帶寬高帶寬；2）反應速度反應速度；3）擴大用戶范圍及應用場景擴大用戶范圍及應用場景。 圖表4: 人機交互發展路徑 注：假設腦機接口在2025年能夠監測200個電極位置； 資料來源：Columbia University，RATATYPE，2019年世界機器人大會，中金公司研究部 未來多應用領域發展，市場規?？焖僭鲩L 根據 Statista 數據，2018 年全球腦機接口規模約為 1.25 億美元，2025 年有望增長至 2.83 億美元，2018-25 年 CAG

24、R 為 12%。此外，GV Research 統計，2019 年醫療仍為腦機接口 主要應用方向， 占比 45%。 軍事應用占比為 20%， 主因美國國防部高級研究計劃局 （DARPA） 對腦機接口投入較大，并且該技術已經被美國軍方用來訓練士兵的認知和決策能力。 Punch card, 70 Windows, 1000 鍵盤鍵盤, 1200 觸摸觸摸屏屏, 1600 語音語音助手助手, 5000 AI助手助手,104 腦機腦機接口接口,106(*) 電腦時代電腦時代 手機時代手機時代 VR/AR 交交 互互 帶帶 寬寬 196520172025E2007 Bits/min 中金公司研究部：中金公

25、司研究部：2020 年年 5 月月 9 日日 8 圖表5: 全球腦機接口市場規模預測 圖表6: 2019年腦機接口應用方向 資料來源：statista，中金公司研究部 資料來源：Grand View Research，中金公司研究部 根據 MIT 計算， 腦機接口目前以平均 7.4 年的時間能夠將可同時記錄的神經元數量翻倍。 如果想要實現同時記錄 100 萬個神經元，則大約要等到 2100 年。但我們認為，腦機接口 根據應用領域不同，需要記錄的神經元數量及腦部位置各不相同，記錄部分神經元即可 實現腦機接口功能。此外，非侵入式接口可與肌電、眼電等信號組合分析，提升精確度。 圖表7: 腦機接口“摩

26、爾定律” 圖表8: 腦機接口各應用發展及市場規模（氣泡代表2025年市場規模） 資料來源：MIT Technology Review，中金公司研究部 資料來源：BNCI Horizon 2020，中金公司研究部 0 50 100 150 200 250 300 20182025E (US$ mn) 45% 20% 35% 醫療 軍事 其他 (Year) 01234567 通信控制通信控制醫療健康醫療健康智能家居智能家居安全保障安全保障娛樂娛樂科研科研 發發 展展 速速 度度 快快 慢慢 中金公司研究部：中金公司研究部：2020 年年 5 月月 9 日日 9 腦機接口應用：侵入式接口多用于醫療領域，EEG+EMG 提 升非侵入接口操作精準度推動應用多元發展 應用場景應用場景#1：醫療方面的運動輔助及義肢控制：醫療方面的運動輔助及義肢控制 運動神經受損導致運動神經受損導致日常日常動作動作無法執行無法執行，腦機接口重新恢復神經回路腦機接口重新恢復神經回路。由于脊髓損傷、肌 萎縮側硬化或腦干中風，病人的“大腦-肌肉”神經通路被損壞，導致肌肉無法完成神經 指令。借助腦機接口搭建外部“神經通路” ，病人能夠直接控制設備輔助完成意向動作。 結合腦電信號與肌電信號，結合腦電信號與肌電信號，