行业风口已至：突破脑机接口发展技术“瓶颈”及产业“困境”
大脑之谜与宇宙之谜被称为“两大科学难题”。
脑机接口作为大脑与外界交互的信息渠道，不仅可以采集神经电活动信号，还可以调控神经网络活动，是脑科学研究的底层核心工具。
近年来，随着相关技术的快速发展，多项关键技术得到突破，脑机接口行业迎来快速发展期，成为市场关注的焦点。
全球脑接口企业中，目前20%从事侵入式技术研发，80%从事非侵入式技术研发，且侵入式技术研发的比例正在逐年上升。
从融资规模看，侵入式技术单家企业融资金额更高。数据显示，2013年到2023年第三季度，侵入式领域风险投资超过40亿美元，全球获投企业超过50家；非侵入式技术全球风险投资超过60亿美元，但获投企业超过200家。
1工作原理闭环
脑机接口系统的工作原理主要依赖四个环节：信号采集-信号处理-控制外设-神经反馈，关键技术主要涉及硬件、算法和软件。
其中硬件主要包括用于脑电信号采集或神经反馈的电极和用于信号处理的芯片，电极材料、芯片运算能力是关键；算法主要是用于解析大脑内在状态的神经解码算法和将脑电信息转译为计算机语言或将外界信息转为大脑可识别信号的神经编码算法，软件则是相关数据的处理和管理平台。
目前，脑机接口产业发展瓶颈主要来自于两个方面，第一是如何安全地获取长期稳定、信号质量高的脑电信号（电极），第二个就是如何解读脑电信号（芯片）。这实际上是比第一个难题更难的问题。
2电极
电极研发的主要难点是如何保证电极的长期安全和有效性，大脑是非常脆弱的器官，电极材料需在尽可能感知并传输电信号的同时不引发人体强烈排斥反应。
电极技术经历了从传统刚性电极到柔性电极的转变，以适应大脑组织的复杂性和动态特性（主要针对侵入式）。
刚性电极
在脑机接口技术发展早期，通常采用硅或金属材料制作而成的刚性电极，具有良好的导电性和耐用性，不易变形，代表性产品包括犹他电极和密歇根电极，它们具有较高的电极密度和信号采集能力，尤其是在需要高精度、高频率动作电位信息采集的场景中。
犹他电极
密歇根电极（电极柱上亦有通道可记录）
由于质地较硬，刚性电极植入大脑后，刚性电极与柔软的脑组织间存在明显的力学性能差异，易导致微移动、炎症反应和愈伤组织形成，从而可能影响信号的长期稳定性，并可能损伤周围脑组织。
随着技术的发展，柔性电极逐渐成为研究趋势，不过刚性电极依然在某些应用场景中发挥着重要作用，常用于实验性研究、短期临床测试以及某些特定的医疗应用，如深部脑刺激（DBS）治疗帕金森病等，其中对信号质量和短期稳定性有较高要求。
柔性电极
柔性电极近年来成为研究热点，这类电极通过提升与大脑组织的兼容性，使大脑误以为是自身组织的一部分，可以减少对脑组织的损伤，提高信号质量，适合长期植入。
柔性材料如聚合物、碳纤维、甚至是可降解材料被广泛研究，以期达到更好的生物相容性和信号传输效率。
- 成功进行首例人体侵入式脑机接口手术的Neuralink采用的就是柔性电极技术，每根电极上有16到32个电极触点，组成1024个通道，以此来采集神经元放电信号。
Neuralink公司使用电极
- Neuralink劲敌Precision Neuroscience公司开发的Layer 7超薄电极阵列，能够在不损伤大脑的情况下收集大量数据，目前已打破去年9月2048的世界记录，实现4096个电极植入。
超薄电极阵列Layer 7
- 我国企业在柔性电极研发上也有较大突破，北京大学未来技术学院设计并制备了一种革命性的超薄柔性微电极阵列薄膜，通过一种类似“卷轴”的特殊绕卷组装工艺，被制造成了一种名为“神经卷轴（Neuroscroll）”的神经探针。
“神经卷轴（Neuroscroll）”探针的设计与制备
同时研究者正在探索半柔半刚性电极设计，如使用镍钛记忆合金等材料，以提高电极的可植入性和生物兼容性，同时保持信号采集的质量。
可通过直径小至100 μm的针头注射展开的亚微米厚网状柔性电极
在提高柔软度的同时，电极还需要更多的采集通道数以采集更多脑电信号。在电极通道数量方面，我国武汉脑机接口团队利用硅通孔高密度封装技术和倒焊工艺等技术已制造出6.5万通道的阵列电极。
3芯片
随着技术进步，采集脑电信号已广泛应用于临床和实验中，但如何解读这些数据庞大的“大脑密码”，并翻译为机器能够读懂的数据流，是目前脑机接口应用所面临的一个巨大挑战。
并且，脑电信号由于在极端条件下进行信号处理，随着通道数的增加，数据的处理和分析难度呈指数级增大，高通量和实时性需求对脑机接口芯片提出了更高要求。
从芯片制造工艺上看，脑机接口芯片并不需要用到先进制程工艺，国内技术完全可以实现脑机接口芯片的自主可控。但该类专用芯片须特殊定制，除了通道数量，脑机接口芯片对精度和速度的要求也很高，设计难度并不低，设计周期和投入成本是客观存在的。
2019年5月17日，由天津脑机交互团队研发，拥有完全自主知识产权的全球首款脑机接口专用芯片“脑语者”在第三届世界智能大会上正式发布。可以识别出头皮脑电中极微弱的神经信息，高效计算解码用户操作指令，极大提升大脑与机器之间的通讯效率，输出一个指令仅需1.7秒。
脑语者发布
2021年，团队进一步研发了8通道24位模数转换芯片第二代“脑语者”，专门针对神经电生理信号的采集。
4算法
随着电极材料和芯片等硬件技术快速发展，可以采集到的脑电信号的数据量越来越庞大，所采集到的毫秒级电信号就像“天书”。
如何从海量脑电数据中提取出高通量、高自由度、细颗粒度的信息成为急需解决的痛点、难点问题，脑电解码算法已成为脑机接口系统突破现有性能瓶颈的关键。
由于不同动作与感官将对应不同的电信号，如何对各类信号选择合适的算法解读，提升了神经解码的技术难度。
人工智能技术的发展提高了神经解码的效率，通过模型训练能够帮助处理海量数据的解读，不过神经解码无法完全依靠深度学习解决（单个行为可能调动多脑区的多个不同神经元，脑电信号与具体行为间难以被准确观测和建模），且脑电信号的个体差异较大，脑科学领域的欠缺和数据不足均为神经解码发展的瓶颈。
近期，作为脑机接口重大成果正式亮相2024中关村论坛的“北脑二号”智能脑机系统，配备了高通量柔性微丝电极、千通道高速神经电信号采集设备以及基于前馈控制策略的生成式神经解码算法，能在大脑皮层神经活动与运动参数之间建立精确映射。
北脑二号智能脑机系统
系统全链路自研，填补了国内高性能侵入式脑机接口技术的空白，并在国际上首次实现猕猴对二维运动光标的灵巧脑控。
此外，想要控制外接设备形成机械力，不管是电动开关窗帘还是对“意念打字”，都需要转成机器能听懂的编码。
5反馈
在一个完整闭环的脑机接口系统中，反馈环节具有革新性意义。具有反馈功能的脑机接口被称为“双向脑机接口”，是目前科研界关注的重点。
在反馈环节，机器会将外部环境的信息传递回脑部或进行相应刺激。以利用机械臂抓取物体为例，脑-机通道确保机械臂能够按照实验者的意图进行移动，通过视觉观察抓握行为是否需要调整。
北脑二号系统控制机械臂抓取草莓
而在能够形成完整闭环的脑机接口中，机-脑通道将在反馈环节，通过声光电磁刺激等方式将是否触碰物品、触碰力度等信号反馈给大脑。
目前为止，由于反馈环节暂不完善，脑机接口尚未形成完整的闭环。不过可以以视觉反馈替代机-脑反馈，一些脑机接口系统在现有需求场景中正常使用，满足需要。
6性能指标
脑机接口作为新兴行业，许多企业基本都属于自研自用，最后与硬件/设备一起输出，缺少高兼容性的底层平台提供高性能软件和算法，还需统一提升数据存储、管理、分析与可视化能力。
目前脑机接口产业发展面临的主要难点在于整套系统中各个组件的协同进步和有效集成，其中任何一个环节的短板都会影响整体脑机接口的性能。
在衡量脑机接口产品时，电极、芯片、算法各自均有指标，然而一个完整脑机接口系统的最终性能并非各项指标简单叠加，或者说并且各个指标数据越高越好（看低不看高）。
一方面，不同使用场景对于使用便捷度（如高频的注意力检测比低频的脑健康检测更强调佩戴和使用中的便捷性）、信号时延（如运动类场景比情绪类场景更强调信号实时性）、信号准确度（如科研级对信号准确度的要求远高于消费级）的要求均有所不同，脑机接口的评价需要和具体的场景相对应。
在满足特定需求的前提下，脑机接口能达到成本与性能平衡即可。
另一方面，脑机接口的各部分间有承接关系，彼此间性能需要紧密配合。以电极数量为例，尽管电极数量的增加能够采集到更多数据，但由于解码和功能算法的限制、以及临床上对特定数据的认知不足，多余的数据无法发挥其价值，会导致性能冗余与不必要的成本增加。
7应用
在对脑机接口技术流程综合了解的基础上，我们结合当前的需求可以归纳出脑机接口潜在的应用市场。
由技术特性决定，非侵入和侵入式脑机接口面临不同的使用场景。总体说来，医疗健康领域是脑机接口最初且最主要的应用领域，同时也是目前距离商业化最近的应用领域。随着技术发展、市场教育成熟和用户观念接受度增加，脑机接口的应用领域将不断拓宽。
侵入式往往针对精细度更高、底层原理更复杂、更难以实现的领域。
例如，同为运动能力的康复场景，非侵入式往往应用于症状较为轻微、还具有部分神经代偿能力的患者，提升其康复训练效率。侵入式则应用于运动神经基本丧失能力的患者，直接替代患者的运动周围神经。
非侵入式更倾向于市场教育、智能家居、智能驾驶、安全检测、娱乐休闲等可穿戴设备等消费级应用，重点在于工程化和产品化的改进。
侵入式脑机接口目前还主要停留在实验室阶段，需完成“实验室—临床—资质”的转化。大规模商用推广之前，侵入式脑机接口仍有较长的时间在电极的柔韧度、体积大小、植入方式去进行相关改进。
根据目前的科研进展及现实情况，可以看到侵入式脑机接口以医疗康复产业为发力点。在帮助残障人士等恢复对外界的控制及表达能力，帮助抑郁症、成瘾等病人调节心理状态，及治疗神经退行性疾病三个方面创造价值。
在基于实现功能的脑机接口分类中，运动想象的应用占比和成熟度是最高的。除去与机械臂、轮椅等控制设备的结合外，运动想象还会与虚拟目标（如光标）、实体目标（如无人机）、目标识别（如想象书写，由计算机识别字符）等结合，实现虚拟操作、远程控制、意念打字等。
浙大脑机接口团队系统成功进行意念书写汉字
8产业链
脑机接口是各发达国家在脑科学与类脑研究领域的科技竞争高地，需要跨多个学科集成复杂系统，产业上下游链路长，研发过程涉及电极、芯片、数据、算法、分析软件、生物相容性材料等多个环节。
脑机接口产业链全景图
由于我国脑机接口现有规模有限，且产业链建设成本极高，目前我国脑机接口产业链发展尚不够完善，缺乏专有供应商，只能采用通用生物监测芯片、Matlab等通用解决方案（目前我国自研的芯片暂无商用案例）。
此外，脑机接口属于高度体系化的行业，例如，手术植入单个环节的低效率会直接影响整体植入方案的效果，进而阻碍场景发展。我国产业链间的断裂会导致配套设备缺乏，产业发展减速。
上游
芯片领域可以视为我国脑机接口产业链目前最为脆弱的环节，受制于德州电气、意法半导体等国外厂商，以及一些国外政策限制，甚至会直接阻碍国内高端脑机接口厂商的顺利出货。
在国内消费级领域，产业链上游（芯片及供应商）企业屈指可数。
中游
我国目前已将脑科学列入“十三五”及“十四五”国家战略，将在未来有持续性投入。并在80个精英实验室开展脑科学研究。政策的关注和倾斜在一定程度上是对脑机接口行业意义及可行性的认可，属重大利好条件。
由于脑机接口还主要处于实验室阶段，要求产、学、研间配合更为紧密。这体现在各脑机接口公司创始人均具有深厚的脑机接口学术背景，部分公司由脑机接口的头部院校直接孵化，并与各顶尖科研院校始终保持有紧密的合作关系，需依托高校完成关键部件的共同研发。
博而雅与南大、天津理工大学、新华网（江苏）成立脑机交互联合实验室
除学术界外，在医疗康复领域，临床机构同样重要。由于需要大量的稀缺临床数据、并以充足的样本数据（用以降低显著的个体差异性影响）证明产品可行性，医疗结构是重要的合作伙伴。在未来，科研及公司所需的标准数据库等同样有赖于和医疗结构的合作。
博而雅专家团队（来自南大、南京脑科医院研究所、明基医院等）
因此，由于数据、临床验证、底层技术等需求，脑机接口领域需要产、学、研紧密配合。
下游
但更关键的是整个产业链条中需求对齐。在
科研院校完成科研—由相关机构整合多方面成果，产出方案原型—进入临床试验并招募足量实验者—测验、调试—基于用户需求，将方案变为产品，并控制成本—大规模商用—迭代修正
的链条中，由于难以统一需求，极易出现多项工作间不兼容。
其中最为典型的，是在采集设备中盲目追求通道数量，而但集到的数据无法向外传输，或是得到的数据仍无法进行数据分析或临床解读，最终无益于使用。即科研成果无法有效转化至临床应用这种典型问题需要一方机构以需求为导向，进行统一协调，并号召相关资源。
从最终场景出发，对所需采集质量、传输速率、应用算法等进行倒推。特别在医疗领域，还需特别关注疾病的研究。脑机接口公司、行业协会、不同机构间的深度合作都将有助于解决我国脑机接口产业链协调问题。
此外，由于缺乏第三方供应商，特定公司的优化技术难以使行业普遍受惠，推动产业共同进步。通过合作、开放等形式将单家公司的能力扩展至全产业，需要产业链的协调能力。
截至目前，我国脑机接口产业链中的角色可分为基础设施提供商、产品提供商及二次定制服务商三类，各具不同的商业模式和底层竞争力。
大多脑机接口公司会选择多角色并行推进：对关键的技术点进行底层研发，在关键基础设施上形成话语权；直接针对重点市场推出产品，以消费级产品/应用或科研级设备提供主要收入；部分规模较大的公司还会针对高潜力新场景连接合作伙伴，进行产品共同定制，抢占新赛道。
未来随着政策的完善、技术的进步、行业生态逐渐繁荣，我国脑机接口产业有望实现弯道超车。