（一）无动力外骨骼

一、助力原理

无动力外骨骼的助力原理基于人体解剖学和生物学，旨在复现人体骨骼肌系统的机理。骨骼肌是人体运动的动力来源，肌腱把肌肉与骨骼连接起来，肌肉收缩通过肌腱牵引骨骼而产生关节的运动。

外骨骼助力机器人主要由机械支架 、 无动力弹性元件及连接件构成，分别对应于人体骨骼肌中的骨骼、肌肉和肌腱，是仿生学、动力学和机械工程的完美结合。

• 一方面，弹簧模拟人体肌肉和肌腱配合可以储存、释放、传导形变势能，将人体运动过程中的能量循环利用，从而降低穿戴者自身的能量消耗；
• 另一方面，根据外骨骼与人体的交互力设计科学的外骨骼结构，合理的布置机械结构能够对受力进行合理传导，从而实现无动力外骨骼中“无动力”的要求。

目前无动力外骨骼中常采用流体弹簧、涡卷弹簧、形状记忆合金、弹性软体材料等。

弹簧在无动力外骨骼助力机器人中具有以下作用：
① 控制机械运动 ；
（2） 储存及释放能量;
（3） 吸收震动 ，减轻冲击。
下表中分别对几种康复机器人的助力部位、应用领域、助力效果等进行了简单介绍。

图 |无动力外骨骼助力机器人

二、无动力外骨骼研究现状

根据使用者健康状况，无动力外骨骼助力机器人分为增强健康人体负载、增强伤残及行动不便人体关节力量两大类；

根据人体助力部位，无动力外骨骼助力机器人分为上/下肢助力型、单关节助力型及全身助力型。

1）上肢无动力外骨骼助力机器人

上肢助力外骨骼机器人主要用于工业、制造业、 建筑业 、 物流等行业， 目的是为从事重复性动作和长时间抬臂动作的工作人员提供诸如保护、身体支撑、运动辅助等功能，通过使用上肢助力外骨骼可以减轻身体负重，缓解疲劳感，解决职业病带来的诸多不便。

美国加州 Ekso Bionics 公司是无动力外骨骼机器 人领域的开辟者和领导者。
EksoVest 由大臂支撑件、背部支撑件、腰部支撑件、传动连杆及驱动器构成。使用前穿戴者根据自身体型及所需助力范围选择合适的外骨骼；使用时助力外骨骼跟穿戴者运动并对人体进行支撑助力。

图 |EksoVest 外骨骼

目前，上肢无动力外骨骼康复机器人还有：LevitateAIRFRAME™、Ergoskeleton等，

通过对穿戴者进行三维动态力矩检测、表面肌电信号EMG监测、氧气消耗量、心率等测试、腰椎屈曲度等，对上肢无动力上肢康复机器人效果进评估，多种数据都说明上肢无动力外骨骼助力机器人对减轻使用者疲劳感、降低受伤风险等起到十分有效的作用。

2）下肢无动力外骨骼助力机器人

下肢外骨骼主要针对以下 3 种情况设计和开发：
 ①步态恢复，针对中风等运动功能受损患者，恢复其肌肉强度；
 ②辅助步行，针对老年人及残疾人， 协助其站立并完成行走等日常活动；
 ③增强体力， 针对远足、救援等负重人员，增强其承载能力，防止受伤，降低疲劳感。

清华大学季林红教授团队针对截瘫患者研发了能够提供精准化助行的无动力储能式截助行外骨 骼 ES-EXO（Energy-Stored Exoskeleton）。

该外骨骼主要由骨盆支架、能量存储单元、大腿支架、踝足矫形器构成。

图 |无动力储能式截瘫助行外骨骼

其工作原理为：能量存储单元中的两个弹簧在步态中起人体髋关节中髂腰肌和臀大肌纤维的作用，在髋关节伸展过程中弹簧 1 储能，髋关节屈曲过程中弹簧释放进行助力，并将屈髋的部分能量存储在弹簧 2 中，为伸髋运动提供能量。

在人体步态周期中，能量存储单元将髋关节所做的功转化为弹簧的势能，并在各步态中进行释放。研究结果表明ES-EXO可降低关节力矩 37%。

图 |ES-EXO 机构运动简图

3） 单关节无动力外骨骼助力机器人

单关节助力机器人针对身体某关节进行助力， 能够有效减轻关节受损患者疼痛感、代替或延迟关节手术，还可增强关节灵活性，降低肌肉疲劳感， 最大的特点是结构轻巧、使用方便。

图 |Levitation 膝关节助力外骨骼

SpringLoadedTechnology公司于2012年开始启动弹簧驱动进行膝关节助力项目。

Levitation 无动力膝关节助力外骨骼，该产品的核心装置是液体弹簧，液体弹簧通过压缩硅流体分子来储存能量，将弹簧部件嵌入到刚性的壳体中。

当膝盖弯曲时外骨骼储存能量，膝关节伸展时外骨骼释放能量的原理对人体进行助力。

北卡罗来纳州立大学、卡内基梅隆大学的研究人员研发了一款穿戴于人体小腿部分的无动力助力外骨骼，主要由外骨骼支架、离合器、 弹簧构成。

离合器的机构，采用外骨骼分担小腿肌肉能耗的助力思路，其原理是：离合器中的棘轮、拨轮在脚着地时啮合，在脚抬起时松开，穿戴者在腿伸直的过程中，与小腿平行的弹簧被拉伸，弹簧储能，腿弯曲时，弹簧释放能量， 减轻小腿肌肉的能耗。

单关节无动力外骨骼助力机器人以下优点：
 ①体积小、质量轻，适合随身携带；
 ②对单关节进行助力，不影响其他正常关节的活动；
 ③单关节外骨骼助力机器人是所有助力机器人中成本最低的方案，因此在推向市场中最具潜力。

然而，单关节外骨骼助力机器人更倾向于起保护作用，或肌肉无力及轻微受伤患者，不能适用于身体机能完全丧失的使用者。

图 |小腿助力外骨骼

4）全身型无动力外骨骼助力机器人

全身外骨骼助力机器人集上/下肢、多部位/关节 助力功能于一体，可增强人体多个部位的力量和携带负载的能力，具有执行多种任务的能力。

加利福尼亚的SuitX公司设计的一款名为ModularAgileExoskeleton（MAX）的模块化灵活外骨骼的无动力助力外骨骼。

这款外骨骼采用模块化的设计思路 ， 分别为上肢助力模块 ShoulderX、背部助力模块 BackX 以及下肢助力模块 LegX， 这 3 个模块既可单独使用，也可组合使用。

图 | SuitX 模块化外骨骼

全身型无动力外骨骼能够最大程度上对使用者身进行助力，尽可能地缓解使用者的负载。

同时，全身型外骨骼多采用模块化的设计思路，具有标准接口及可互换性，不仅利于使用者选择使用，而且在大规模生产的情况下，有利于生产商节约制造成本。

5）军用无动力助力外骨骼机器人

军用无动力外骨骼的使用目的是增强士兵负重能力，降低远程跋涉的疲劳感，主要采用作用力传导及重力重新分配的设计思路。

加拿大的 Mawashi 公司研制的超轻被动型士兵外骨骼系统 UPRIS。

图| UPRIS 超轻被动型士兵外骨骼系统

美国特种部队海豹突击队的 Fortis Exoskeleton 无动力助力外骨骼机器人。

图 | Fortis Exoskeleton 外骨骼

三、无动力外骨骼关键技术

由于无动力外骨骼助力机器人是新兴的研究方向，其研发过程涉及人体解剖学、生物力学、机械设计、材料学等多个学科，制约其发展的关键技术有以下几个方面：

1）机械结构

机械结构设计是外骨骼机器人的设计基础，直接决定了外骨骼的使用效果，设计时应基于人体运动谱复现的仿生构型，能够根据使用者进行尺寸调节；

同时，由于质量重会导致运动不协调及能量消耗多， 因此要保证外骨骼结构紧凑、材料的强度高密度低，满足轻量化的使用要求。

2） 负载能力

负载能力是外骨骼助力机器人的核心，也是限制无助力机器人发展的瓶颈，目前其承载能力与动力型外骨骼的助力效果还有很大差距，

因此不仅要加紧高性能助力元件的研发，同时也要探索其他无动力的助力方式，以设计出助力效果更好的产品。

3）人机协同性

使用者穿戴外骨骼后，人体与外骨骼机器人的关节轴线会存在一定偏差， 这将导致运动时人机之间产生不良的交互力。

曾分别尝试增加被动自由度、增加多个连接关节、研发自动校准带轮、设计滑块导轨机构等多种方式解决人机轴线不重合问题，但效果都不甚理想， 因此这仍是今后的研究重点。

4） 控制精度

人体结构复杂，肌肉的收缩程度与肌肉力是非线性关系，形状约为“山丘型” 曲线。

目前，无动力外骨骼助力机器人使用弹簧为驱动部件时，导致控制精度低，为了使助力弹簧与人体肌肉性能类似，应设计制造与人体助力肌肉成比例关系的非线性弹簧，或近端模块与远端模块相互配合的方式增加外骨骼的活动精度。

5）舒适性设计

无动力外骨骼应以“刚柔相济，人机一体为”为指导思想，以“人主机辅、以 人为本”为设计思想，

使用时穿戴方便，与人体直接接触的部位采用柔性材料，保证不会摩擦损伤人体皮肤，必要部位可加入 SMA 弹簧等缓冲减 震的装置。

6）作动器元件

作动器元件是无动力外骨骼助力机器人研发的核心元件，也是影响其发展的重要因素，目前为止无动力外骨骼助力机器人所采用的作动器通常为形状记忆合金。

随着材料科学的发展，可借助形状记忆聚合物、弹性基体复合材料、多功能纳米复合材料、液态硅胶等，单一或组合构成串联弹性元件及变刚度元件，从而进一步丰富无动力助力机器人助力元件。

四、无动力外骨骼应用领域

无动力外骨骼助力机器人不仅解决了动力型机器人的能源动力问题，而且能够根据穿戴者的具体需求灵活化地设计与加工，以提供更加精准化、舒适化的助力，可应用于多个领域，为多种行业工作人员提供助力。

1）航空航天领域

我国在航空航天领域处于世界前列，将无动力外骨骼助力机器人应用到航空领域，可以增加宇航员的关节力量，提高其在微重力太空环境探索时的活动能力；

辅助宇航员在国际空间站中进行锻炼活动，保持及增强其身体活力。

2）仿真模型的建立工业领域

工业领域是人体受力频率最高的领域，将无动力外骨骼助力加强应用到装配、物流、焊接、喷漆等领域，能够有效减轻工作人员身体负载，缓解疲劳，提高工作效率，降低职业病发病率，

甚至可实现传统的体力行业的转型，甚至完全消除人力高负载职业。

3）军事领域

随着军事装备的日益更新，越来越多的国家研发无动力外骨骼助力机器人来增强士兵负重能力、 行动力，提高单兵耐力，从而使单兵作战能力迈入一个新台阶。

对于提升未来士兵战场生存能力、机动能力以及持久战斗能力具有决定性作用。

4）消防救援领域

沉重的救援设备是限制救援人员工作效率的重要因素。将无动力外骨骼助力机器人应用于消防救援、抗震救灾等领域，

一方面能够减缓救灾人员的体力消耗；另一方面可加快救援速度、提高救援效率，将灾难带来的损伤降至最小。

5）养老助残领域

我国正步入老年社会， 老年人最显著的特征就是活动不便及耐力不足，未来老年群体将是无动力外骨骼助力机器人最大的使用群体。

相关研究表明，通过借助无动力外骨骼可辅助老年人完成简单家务及日常活动，有效提升老年人的幸福指数和社会参与度，甚至降低老年抑郁患发病率。

6）康复领域

传统康复训练由人工完成，随着技术的发展借助辅助器械完成康复训练是必不可少的。

无动力外骨骼助力机器人成本低，可应用于普通家庭之中来帮助患者进行日常康复训练，从而刺激身体循环系统，降低痉挛及肌无力现象，帮助患者早日康复。

7） 体育运动领域

随着远足徒步、自行车旅行、弹跳运动等运动爱好者人数的不断增加，随之而来的还有受伤人数的增多。

通过使用无动力外骨骼助力机器人，可有效减低受伤概率，防止运动过度导致人体关节的磨损及骨骼肌冲击，在减低疲劳感的同时，能够减轻对人体的伤害。

出处：一文解构“无动力外骨骼”通识 - 知乎

（二）、脑机接口

脑机接口（Brain-Computer Interface， BCI）：它是在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与计算机或其他电子设备之间建立的不依赖于常规大脑信息输出通路（外周神经和肌肉组织）的一种全新通讯和控制技术。

在该定义中，“脑”意指有机生命形式的脑或神经系统，而并非仅仅是“mind”（抽象的心智）。“机”意指任何处理或计算的设备，其形式可以从简单电路到硅芯片到外部设备和轮椅。“接口” = “用于信息交换的中介物”。
“脑机接口”的定义=“脑”+机“+”接口“。即，在人或动物脑（或者脑细胞的培养物）与外部设备间创建的用于信息交换的连接通路。
脑机接口作为当前神经工程领域中最活跃的研究方向之一，在生物医学、神经康复和智能机器人等领域具有重要的研究意义和巨大的应用潜力，近10年来，脑机接口技术得到了长足的进步和飞速的发展，应用领域也在逐渐扩大。
四、脑机接口技术的实现
脑机接口技术是通过信号采集设备从大脑皮层采集脑电信号经过放大、滤波、A/D转换等处理转换为可以被计算机识别的信号，然后对信号进行预处理，提取特征信号，再利用这些特征进行模式识别，最后转化为控制外部设备的具体指令，实现对外部设备的控制。
一个典型的脑机接口系统主要包含4个组成部分：信号采集部分、信号处理部分、控制设备部分和反馈环节。其中，信号处理部分包括预处理、特征提取、特征分类3个环节。

 1、信息采集
 从目前的研究水平来看，我们在评估某种信息采集手段优劣时需要考虑三个方面的标准：
 规模——可以记录多少神经元。
 分辨率——这个工具接收到的信息的细致程度。这里所说的分辨度可以分成两种：空间上的分辨率（能否细致记录单个神经元的触发情况）和时间上的分辨率（能否确定你所记录的活动的确切发生时间）。
 侵入性——是否需要手术？如果需要，手术的影响范围有多大？
 而脑机接口的分类，则通常是根据“侵入性”被分为：非侵入式（脑外）、侵入式和半侵入式。

 （如上图，不同的接口类型所获得的信号强度有很大差异）
 非侵入式：是指无需通过侵入大脑，只需通过附着在头皮上的穿戴设备来对大脑信息进行记录何解读。这种技术虽然避免了昂贵和危险的手术，但是由于颅骨对于大脑信号的衰减作用，以及对于神经元发出的电磁波的分散和模糊效应，使得记录到的信号强度和分辨率并不高，很难确定发出信号的脑区或者相关的单个神经元的放电。
 侵入式：是指通过手术等方式直接将电极植入到大脑皮层，这样可以获得高质量的神经信号，但是却存在着较高的安全风险和成本。另外，由于异物侵入，可能会引发免疫反应和愈伤组织（疤痕组织），导致电极信号质量衰退甚至是消失。另外伤口也易出现难以愈合及炎症反应。
 半侵入式：即将脑机接口植入到颅腔内，但是在大脑皮层之外。主要基于皮层脑电图（ECoG）进行信息分析。虽然其获得的信号强度及分辨率弱于侵入式，但是却优于非侵入式，同时可以进一步降低免疫反应和愈伤组织的几率。
 典型的非侵入式系统有脑电图（EGG），脑电图是有潜力的非侵入式脑机接口的主要信息分析技术之一，这主要是因为该技术良好的时间分辨率、易用性、便携性和相对低廉的价格。

 但是，脑电图技术的一个问题是它对噪声的敏感；另一个使用EEG作为脑机接口的现实障碍是用户在工作之前要进行大量的训练。
2、信息分析
收集好了足够多的信息后，就要进行信号的解码和再编码以处理干扰。脑电信号采集过程中的干扰有很多，如工频干扰、眼动伪迹、环境中的其他电磁干扰等。
分析模型是信息解码环节的关键，根据采集方式的不同，一般会有脑电图（EGG），皮层脑电图（ECoG）等模型可以协助分析。
信号处理、分析及特征提取的方法包括去噪滤波、P300信号分析、小波分析+奇异值分解等。
3、再编码
将分析后的信息进行编码，如何编码取决于希望做成的事情。比如控制机械臂拿起咖啡杯给自己喝咖啡，就需要编码成机械臂的运动信号，在复杂三维环境中准确控制物体的移动轨迹及力量控制都非常的复杂。
但编码形式也可以多种多样，这也是脑机接口可以几乎和任何工科学科去结合的原因。最复杂的情况包括输出到其他生物体上，比如小白鼠身上，控制它的行为方式。
4、反馈
获得环境反馈信息后再作用于大脑也非常复杂。人类通过感知能力感受环境并且传递给大脑进行反馈，感知包括视觉、触觉、听觉、嗅觉和味觉等等。
脑机接口要实现这一步其实是非常复杂的，包括多模态感知的混合解析也是难点，因为反馈给大脑的过程可能不兼容。
五、基于EEG的脑机接口研究方法
人和动物的大脑，特别是皮层细胞，存在着频繁的自发电活动，无需任何外界刺激。从脑电极记录到的电位是对脑部大量神经元活动的反应，低至微伏级，这种电活动的电位随时间的波动称为脑电波(EEG) 。
EEG反应了大脑组织的电活动及大脑的功能状态，脑的复杂活动反应在头皮上的电位活动就是EEG轨迹 。所以理论上，人的意图通过脑电应该可以被探测识别出来。
BCI的先驱曾经指出“在理论上，脑的感觉、运动及认知意识在自发EEG中应该是可辨识的”，因此EEG成为BCI研究中的常见工具。BCI技术就是要通过识别这种意图，将之表达为对外部设备的直接控制。
由于脑电信号的本质还未知，难以确定一种特定的信号识别方法。假设脑电信号是线性的，那么大多数BCI使用的线性识别方法足以应用。反之，则线性识别算法对于希望被识别的信号可能是最糟糕的描述。但无论何种情况，BCI技术的首要任务就是从EEG中识别出人的主观作意识，并将之表达为对外部设备的直接控制。同样的道理，基于皮层脑电图（ECoG）的信息分析也与之类似。
1、脑机接口研究中所使用的脑神经信号
（1）P300 （诱发电位）
P300是一种事件相关电位（ERP），在时间相关刺激300~400ms后出现的正电位，主要位于中央皮层区域，其峰值大约出现在时间发生后300ms，相关事件发生的概率越小，所引起的P300越显著。基于P300的BCI的优点是P300属于内部相应，使用者无需通过训练就可产生P300。
（2）视觉诱发电位（诱发电位）
视觉诱发电位是指从视觉通路的不同水平区域记录的不同生物电反应，其诱发刺激可以是荧光、闪光刺激。视觉诱发电位又可以分成短时视觉诱发电位和稳态视觉诱发电位两种。
（3）时间相关同步或时间相关去同步电位（自发脑电）
单边的肢体运动或想象运动，大脑同侧产生事件相关同步电位（ ERS） ，大脑对侧产生时间相关去同步电位（ ERD）。ERS、ERD是与运动相关的，主要位于感觉运动皮层。
（4）皮层慢电位（自发脑电）
皮层慢电位也称慢波电位（ Slow Cortical Poten2tials， SCPs） ，是皮层电位的变化，是脑电信号中从300 ms持续到几秒钟的负电位或正电位，能反应皮层I.和II.层的兴奋性，个人可以通过生物反馈训练产生这种电位。
（5）自发脑电信号（自发脑电）
在不同的知觉意识下，人们脑电中的不同节律呈现出各异的活动状态。这些节律是受不同动作或思想的影响。按照所在频段的不同分类，一般采用希腊字母(α、β、γ、δ)来表示不同的自发EEG信号节律。比如α节律在8~13 Hz频段，而β节律则在13~22 Hz频段。
采用以上几种脑电信号作为BCI输入信号，具有各自的特点和局限。P300和视觉诱发电位都属于诱发电位，不需要进行训练，其信号检测和处理方法较简单且正确率高。不足之处是需要额外的刺激装置提供刺激，并且依赖于人的某种知觉(如视觉) 。其它几类信号的优点是可以不依赖外部刺激就可以产生，但需要大量的特殊训练。
2、特征提取和转换方法
特征提取涉及如何从EEG中提取少量的有用的信息，分别利用这些信息进行不同脑状态的区分。常用的特征提取的算法如：：FFT （ Fast Fourier Transform Algorithm）、相关性分析、AR （Auto Regression）、参数估计、CSP （ Common Spatial Patterns）、Butter2worth低通滤波、遗传算法等。算法的选择与所利用的信号特征及电极位置有关。
信号处理的目标是最终从信号中识别出使用者的意图并执行，系统的首要任务就是最大化。信噪比，尤其是当噪声和信号极为相似的时候就显得更为重要。提高信噪比的技术有很多，具体有空间及时间滤波方法、信号平均以及单次识别方法。BCI转换算法把信号特征(如节律幅值或神经元放电率)转换为具体的控制命令。

六、脑机接口技术的应用与市场前景
脑机接口（BCI）技术的应用前景非常的广阔，比如可以帮助人们直接通过思维来控制基于BCI接口的机器人，从事各种工作。脑机接口机器人不仅在残疾人康复、老年人护理等医疗领域具有显著的优势，而且在教育、军事、娱乐、智能家居等方面也具有广阔的应用前景。
1、医疗健康
医疗方向主要分为两个方向，分别是“强化”和“恢复”，这两个方向都有着极其远大的“钱景”，尤其是强化方向。现阶段以恢复类为主，因为更易实现。
“强化”方向主要是指将芯片植入大脑，以增强记忆、推动人脑和计算设备的直接连接。这就是所谓的“人类增强”（Human Intelligence，HI）。浅层次的研究是脑机单向，更深一层次的将是机脑双向。目前，在做“强化”方向的就包括马斯克创办的Neuralink以及获得1亿美元投资的Kernel。
“恢复”方向主要是指可以针对多动症、中风、癫痫等疾病以及残障人士做对应的恢复训练，采取的主要方式是神经反馈训练。这一方向在全球的一些医院、诊所、康复中心中已经得到广泛应用，也有不少创业公司在做这方面的可穿戴设备。
具体来说，BCI技术可以帮助患者和用户实现：
（1）与周围环境进行交流：BCI机器人可以帮助残疾人使用电脑、拨打电话等;
（2）控制周围环境：BCI机器人可以帮助残疾人或老年人控制轮椅、家庭电器开关等;
（3）运动康复：BCI康复机器人可以帮助残疾人或失去运动能力的老年人进行主动康复训练，BCI护理机器人可以从事基本护理工作，提高残疾人或老年人的生活质量。
（4）重获肢体能力：基于BCI机器人的义肢可成功帮助肢体残疾的残障人士重新获得肢体控制的能力。
通过BrainCo开发的BCI假肢弹钢琴的残疾女孩
BrainCo团队表示，其开发的智能假肢处于世界领先水平，可以完成多种复杂的日常作，其中包括弹钢琴。该产品上市后定价预计在两万人民币以内，是目前主流智能假肢价格的二十分之一。
（5） 重获缺失的感知能力：除了通过思维控制一些设备之外，未来甚至有望帮助部分丧失的感知能力的人群再次获得感知能力，比如视觉、听觉和触觉等；此外，还可以将非人类感知能力转变为人类感知能力，这其实是非常逆天的，比如对于超声波的感知能力（就像从蝙蝠身上获取这个能力一样），再比如感知磁场等，就像拥有了超能力！
“强化”方向少的原因：第一是因为实现难度高；第二是因为市场还未被充分教育，思维范式在短期内难以改变，付费意愿因技术能力不足而未达到临界值，但军用领域实际上已经有了不少的应用了，军方也投入了大量资金。
最后，还值得补充的是“保健方向”，也就是冥想减压，有创业公司推出脑波检测头环，帮助用户通过实时音频反馈来提升冥想效果。其实，在北美，冥想的市场是非常大的，这是一个绝对可以挖掘的细分市场。
2、娱乐
在娱乐方面，BCI技术的前景也是非常的广阔，比如可以与虚拟现实技术结合，无需额外的外设操控设备，可以直接通过思维来控制游戏种的角色，获得更加沉浸式的游戏体验。目前，在这块做得比较超前的公司是MindMaze，其融资总额已超1亿美元。
3、教育
这个方向其实和医疗方向中的“恢复”方向会有些接近。教育科技是个千亿级的市场，目前，脑机接口创业公司BrainCo就在做这一方向，主要是对学生注意力值的实时探测和训练，既可以而帮助老师及时了解课堂情况改变教学情况，也能够帮助学生提高注意力。

BrainCo针对教育市场的脑机产品
4、智能家居
智能家居是脑机接口与IoT（物联网）跨领域结合的一大想象空间。在这一领域，脑机接口扮演的角色类似于“遥控器”，帮助人们用意念控制开关灯、开关门、开关窗帘等，进一步可以控制家庭服务机器人。
5、军事
在军事方面，BCI技术可以帮助军人更好的控无人机、无人车、机器人等设备，代替军人或者特殊职业的人士从事各种危险的任务，以及在不适宜人工作的环境中工作。也可以帮助军人获得能力上的增强，比如通过BCI控制外骨骼机器人提升单兵作战能力。

出处：【深度解析】一文看懂脑机接口技术的现状与未来！ - 知乎

（三）、VR技术

一、基本概念

虚拟现实技术旨在模拟真实世界或创造虚构的环境，通过多种感官刺激（如视觉、听觉、触觉）使用户感受到身临其境的体验。用户通常通过头戴显示器（HMD）或其他设备与虚拟环境互动。

虚拟现实的概念中有三个I：

（1）Immersion（沉浸），是指逼真的，身临其境的感觉。
（2）Interaction（交互），是指用户感知与作环境。
（3）想象，是指创造性。

二、核心组件

1. 硬件设备

头戴显示器 （HMD）：如 Oculus Rift、HTC Vive、PlayStation VR，提供视觉和听觉体验。
控制器：用于与虚拟环境交互，通常有手柄、手套等形式。
传感器和摄像头：用于追踪用户的运动和位置。

2. 软件系统

VR引擎：如 Unity、Unreal Engine，用于创建和运行VR内容。
 应用程序和内容：包括游戏、教育、模拟训练等。

三、技术原理

（一）虚拟现实技术的应用原理

虚拟现实技术的应用原理主要涉及三个方面：感知技术、建模技术和展示技术。

1. 感知技术：感知技术是虚拟现实技术的基础，通过获取用户的视觉、听觉、触觉等感知信息，实现对用户的环境感知和交互。其中，视觉技术是最重要的感知技术，通过头戴式显示设备、手持设备或投影设备，将虚拟场景投影到用户眼前，使用户产生身临其境的感觉。

2. 建模技术：建模技术是虚拟现实技术中的核心，用于创建和模拟虚拟环境和物体。建模技术可以将真实世界的物体、场景或人物进行三维数字化表示，并通过计算机图形学算法实现对虚拟环境的构建和渲染。建模技术的发展包括几何建模、纹理映射、光照模拟等多个方面。

3. 展示技术：展示技术是虚拟现实技术的重要组成部分，用于将虚拟环境呈现给用户。常见的展示技术包括头戴式显示设备、立体显示、全景投影等。这些技术可以实现用户在虚拟环境中的观察、导航和交互，在保证观感效果的同时提供沉浸式体验。

（二）虚拟现实技术的工作流程

虚拟现实技术的工作流程主要包括场景建模、虚拟环境渲染和用户交互三个阶段。

1. 场景建模：在虚拟现实技术中，场景建模是将真实世界的物体、场景或人物进行数字化表示的过程。这需要通过激光扫描、摄影测量、立体摄像等手段采集现实环境的数据，并利用建模软件对数据进行处理和重建，生成对应的虚拟环境模型。

2. 虚拟环境渲染：虚拟环境渲染是将建模阶段得到的场景模型添加材质、纹理、光照等效果，并通过计算机图形学算法将其转化为可视化的影像。渲染过程需要考虑几何形状、光照模型、材质反射等因素，以实现逼真的图像效果。

3. 用户交互：虚拟现实技术的核心是用户与虚拟环境的交互。用户可以通过手柄、头戴式显示设备、体感设备等交互设备与虚拟环境进行交互，例如进行导航、选择、操作等。传感器设备能够感知用户的动作和位置，并实时传输给计算机以更新虚拟环境的显示。

（三）虚拟现实技术的相关技术

虚拟现实技术的实现还依赖于一些相关技术的支持，包括计算机图形学、计算机视觉、人机交互、传感技术等。

1. 计算机图形学：计算机图形学是虚拟现实技术中的核心技术，用于模拟和渲染虚拟环境及物体的图像。它包括三维几何建模、光照模型、纹理映射、渲染算法等方面的研究。

2. 计算机视觉：计算机视觉技术用于感知和理解现实世界的内容，通过图像和视频处理、物体识别和跟踪、深度学习等手段，实现对真实环境的分析和交互。

3. 人机交互：人机交互技术是用户与虚拟环境进行交互的重要手段。例如，手柄、头盔、手势识别等设备可以使用户更加直观地与虚拟环境进行交互。

4. 传感技术：传感技术用于感知用户的动作和环境的状态。例如，陀螺仪、加速度计、位置跟踪器等传感器设备可以获取用户的姿势、位置等信息。

虚拟现实技术通过感知技术、建模技术和展示技术实现对用户的虚拟环境模拟和呈现。其工作流程包括场景建模、虚拟环境渲染和用户交互三个阶段。虚拟现实技术的应用还离不开计算机图形学、计算机视觉、人机交互和传感技术等相关技术的支持。随着技术的不断发展和创新，虚拟现实技术将在更多领域发挥出强大的潜力，提供更加沉浸式和真实感的体验。

四、虚拟现实系统的分类

1. 桌面式虚拟现实

利用个人计算机或初级图形工作站；以计算机屏幕作为用户观察虚拟世界的一个窗口，采用立体图形、自然交互等技术，产生三维立体空间的交互场景，通过包括键盘、鼠标和力矩球等在内的各种输人设备操纵虚拟世界，实现与虚拟世界的交互。

2. 沉浸式虚拟现实

提供了一个完全沉浸的体验,使用户有一种仿佛置身于真实世界之中的感觉,是—种高级的、较理想的虚拟现实系统。

通常采用洞穴式立体显示装置或头盔式显示器等设备,首先把用户的视觉、听觉和其他感觉封闭起来,并提供一个新的、虚拟的感觉空间,利用三维鼠标、数据手套、空间位置跟踪器等输人设备和视觉、听觉等设备,使用户产生一种身临其境、完全投人和沉浸其中的感觉。

3. 增强式虚拟现实

增强现实是在虚拟现实与真实世界之间的沟壑上架起—座桥梁。

例如,可以利用叠加在周围环境上的图形信息和文字信息,以指导操作者对设备进行操作、维护或是修理,而不需要操作者去查阅手册,甚至不需要操作者具有工作经验。

4. 分布式虚拟现实

分布式虚拟现实系统是虚拟现实技术和网络技术结合的产物;在沉浸式虚拟现实系统的基础上,将地理上分布的多个用户或多个虚拟世界通过网络连接在一起,使每个用户同时参与到一个虚拟空间,通过联网的计算机与其他用户进行交互,共同体验虚拟经历,协同工作达到一个更高的境界。

4个基本组成部分：图形显示器、通信和控制设备、处理系统和数据网络。

五、应用领域

1. 游戏和娱乐

提供身临其境的游戏体验，增强玩家的沉浸感。

2. 教育

过去几年，全球在线教育市场增长迅速，印度、中国和马来西亚位列前三。移动在线教育增长更快，其中K12 教育占比近30%基于线上教育的新教育模型已经成为未来发展的关键方向，具有广阔的市场。值得注意的是目前已经有公司生产出作为外语学习用的VR应用软件，其内置18种语言，可以让使用者通过VR头显设备实现与AI的对话，不用出国便能学习多门外语。另外随着2020年疫情在世界各地传播，网课已经成为教育行业新的发展方向，不少VR设备也支持网课APP让孩子在家就可以通过虚拟现实技术实现与老师的沟通交流。VR技术在未来的教育行业势必将会成为具有举足轻重能力的新技术。
 设计师可以在虚拟空间中展示建筑设计，客户可以进行虚拟漫游。

3. 心理治疗

用于治疗恐惧症、焦虑症等，通过虚拟环境逐步暴露患者于其恐惧源。

4. 社交和会议

未来十年，社交分享的主要媒体将从照片和视频发展到VR。Facebook的Newsfeed和YouTube都已经开始支持360度视频，YouTube上专用的360度视频频道拥有超过50万订阅用户。RicohTheta等公司开始打造消费级全景相机。除了消费领域的社交，VR还将为企业服务市场的远程办公协作提供了新的环境。

中投顾问发布的《2017-2021年虚拟现实行业深度调研及投资前景预测报告》指出，未来社交软件的界面风格可能是3D，VR技术升级方向。Facebook已经开发了四个社交VR应用，包括：SocialPhotos、SocialCinema、Toybox和VRRoom。游戏平台社交也是方向之一。Steam平台的游戏社交发展多年，在一定程度上得到了重度游戏爱好者的认可。未来游戏社交的模式将进一步升级为VR游戏社交、VR电影社交（如豆瓣）和VR旅行社交（如马蜂窝）等。

5. 医疗

虚拟现实技术在医学上已应用于构建仿真组织、器官的解剖结构以后还可构建“虚拟器官”。

远程医疗系统在医学中用于控制远方的医疗设备，远程手术系统根据遥感和机器人等技术将远程传送来的图像仿真成手术场景，手术医生在此场景下进行手术操作，传感器将医生的操作控制信号传送到手术目的地，控制手术目的地的手术机器人或机器手完成手术。

6. 房产地产

随着房地产行业竞争的加剧，平面图、性能图、沙盘、样板房等传统展示手段远远不能满足消费者的需求。 因此，只有敏锐地把握市场趋势，果断地启用最新技术，并迅速将其转化为生产力，才能领先并击败竞争对手。

虚拟现实技术是融合影视广告、动画、多媒体、网络技术的最新房地产营销手段。 在中国广州、上海、北京等大城市以及加拿大、美国等国外经济技术发达的国家非常流行。 它是当今房地产行业综合实力的象征和标志，其主要核心是房地产销售，同时在房地产开发中的其他重要环节如申报、审批、设计、宣传等，虚拟现实技术也是刚需。

7. 城市规划

城市规划一直是全新可视化技术需求最为迫切的领域之一。 虚拟现实技术可以在应用和城市规划中广泛应用，带来实用且可观的好处:在规划方案中展现虚拟现实系统的沉浸感和交互性，不仅可以给用户带来强烈而生动的感官冲击，还可以获得身临其境的体验。 用户还可以通过其数据接口在实时虚拟环境中随时获取项目数据，方便大型复杂工程项目的规划、设计、招投标、审批和管理，有利于设计人员和管理人员辅助各种规划设计方案的设计和方案评审。

虚拟现实为规避设计风险而建立的虚拟环境，是基于真实数据的数字模型的组合，严格遵循工程项目设计的标准和要求，建立逼真的三维场景，真正“再现”规划的项目。 用户在3D场景中自由漫游，相互交互，使得很多不易察觉的设计缺陷很容易被发现，减少了因提前未完成规划而带来的不可挽回的损失和遗憾，大大提高了项目的评估质量。 加快设计速度使用虚拟现实系统，只需修改系统中的参数，就可以轻松随意的改变建筑高度，建筑立面的材质和颜色以及绿化密度。 从而大大加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计和修改的效率，节省了大量资金，并提供了一个合作平台。

8. 航天军工

虚拟化仿真在航空领域的实施主要包括飞机虚拟化、飞机制造虚拟化、飞行流程虚拟化和飞行体验虚拟化四个方面。

• 人员培训
   在中国民航运力创新高，在得到政策大力支持的背景下，中国飞行员和飞行教员数量稳步增加，航空培训行业持续稳定增长。基于VR的飞行员培训市场前景广阔。
• 飞机虚拟化设计
   虚拟现实制造是VR技术在工业/应用领域的重要组成部分，即通过计算机仿真系统中的虚拟仿真，可以实现现实世界中生产制造的设计、工艺、生产线、质检、分析、物流、维修等环节，从整个生产过程中预测和解决生产制造过程中的实际问题，从而优化产品外观和功能设计，提高生产效率，降低生产成本。虚拟现实制造由仿真软件、图形计算平台、交互设备等关键技术环节组成，如多通道交互技术、虚拟世界建模技术和现实技术。

9. 工业制造行业

根据中投顾问发布的《2017-2021年虚拟现实行业深度调研和投资前景预测报告》显示，基于虚拟现实和增强现实技术的工业领域的数字显示服务可以贯穿整个制造过程，包括初期市场调研、建模开发、工程开发和市场开发阶段。

建模开发阶段是虚拟现实的主要应用阶段之一，可以进行产品建模评审、产品建模多方案评估、产品配色等。在市场开发阶段，虚拟现实及相关技术主要用于数字产品生产前的营销。

利用虚拟现实和增强现实技术，可以在半成品轿车上叠加图像，从而测量实际情况。通过测量设计产品与实际原型车的关系，大大减少了研发时间，减少了实物原型车的制造数量，降低了成本。

五、虚拟现实与人工智能

虚拟现实（VR）和人工智能（AI）的结合能够创造出更加智能和个性化的体验。以下是一些具体的应用和未来展望：

• 智能互动
   AI驱动的虚拟角色能够进行自然对话和互动，提升用户的沉浸感。
• 个性化体验
   AI分析用户的行为和偏好，实时调整VR环境以提供定制化的体验。
• 高级模拟
   在培训和教育中，AI可以生成动态场景，提供更真实的模拟。
• 情感识别
   AI可以通过分析面部表情和语音语调，理解用户的情感状态并作出相应反应。

出处：一文讲清楚你既熟悉又陌生的：虚拟现实技术（VR） - 知乎