看过《蜘蛛侠 2》的观众一定对章鱼博士奥托印象深刻：四条强力机械触手本是用来辅助精密核聚变实验的仿生义肢，却因神经控制芯片损毁，机械臂接管大脑意志，不受控地暴走、伤人，人类原生肢体与外置机械装备彻底割裂、互相冲突。长久以来，现实脑机接口领域也卡在同款 “章鱼博士难题”：想要新增机械肢体辅助作业，控制信号总会干扰人体原生手部动作，两套运动系统无法同步稳定运行。
章鱼博士 ©蜘蛛侠原作
7月2日，《自然·通讯》在线刊发中英跨国联合团队重磅研究，推出一款基于触觉编码P300电位的非侵入式脑机接口，成功实现人类原生四肢与两套额外机械臂并行操控，无需牺牲自然手部动作，为人体运动增强技术打开全新落地路径。
该研究由伦敦帝国理工学院、清华大学、东南大学科研人员联合完成，共10名健康受试者参与为期三天多轮对照实验。传统运动增强脑机接口多依赖视觉刺激、运动想象或肌电信号，要么占用全部视觉注意力，要么控制信号与原生肢体运动神经信号相互冲突，仅能实现单自由度简易开关控制。这套全新触觉编码脑机接口绕开视觉与运动神经通路，依靠体表振动刺激诱发大脑P300事件电位，独立生成额外机械臂控制指令，真正做到“双手干活、大脑同步指挥机械臂”。
如何实现 | 核心技术底层逻辑
触觉P300脑机接口范式，搭建独立神经控制通道
整套系统以体表振动触觉刺激为信号载体，在受试者双臂上下对称固定4个微型振动器，每个振动器对应一条独立控制指令，构成4个可控运动自由度。振动以200毫秒脉冲形式随机发放，受试者仅需选择性关注目标振动点位，大脑便会产生特征清晰的P300脑电信号，以此区分控制意图。区别于视觉P300系统，触觉刺激不占用视觉资源，操作者可全程专注双手现实操作，从根源规避多任务视觉冲突。
用于通过触觉编码脑机接口控制多余机械臂的实验装置。©作者团队/Nat Commun
整套脑电采集设备采用64通道非侵入式脑电帽，1000Hz采样率采集脑电数据，经1–10Hz带通滤波去除噪声，通过xDAWN空间滤波算法放大微弱P300电位，搭配支持向量机完成实时意图解码。整套信号处理流程轻量化，单次指令识别仅需整合4组连续振动脑电数据，兼顾识别精度与实时响应速度，普通电脑即可完成在线运算，大幅降低设备落地门槛。
实验设置单任务、双任务两大对照场景，直观验证系统抗干扰能力。单任务模式下受试者仅专注识别触觉指令，不进行手部动作；双任务模式同步开展双手滚珠平衡精细操作，模拟现实中双手作业场景。连续三天跟踪记录受试者脑电P300波形、指令识别成功率、原生手部运动稳定性三组核心数据，量化评估训练效果与运动干扰程度。实验选用滚珠平衡任务作为原生运动评测标准，该任务需要持续双手协调，能够精准捕捉细微运动能力衰减，客观判断脑机指令是否影响人体自然肢体控制。
从神经信号层面看，双任务同步操作会小幅降低P300电位幅值，首日双任务平均电位4.4μV，单任务可达7.0μV，但电位潜伏期无显著变化。经过三天训练后，P300电位潜伏期波动系数大幅收窄，单、双任务下信号稳定性趋于一致，证明人体可快速适应“手部运动+触觉注意力控制”双并行模式，大脑注意力分配能力通过短期训练显著提升，不会出现持续神经信号紊乱问题。
效果如何 | 关键实测数据
三天训练性能显著提升，原生动作完全不受影响
指令识别成功率是衡量脑机接口实用性的核心指标，实验数据展现清晰的学习提升曲线。实验首日，双任务同步操作下指令识别成功率仅53.1%，单任务基准为68.1%，两类场景差距明显；训练至第三天，双任务识别成功率攀升至69.7%，单任务稳定在79.1%，二者数据差距缩小至统计学不显著区间。持续解码测试中，4名受试者长期稳定识别准确率超87%，误触发假阳性率控制在5.3%以内，连续作业时系统识别稳定性可靠。
整套系统无需多次重复刺激才能完成判定，绝大多数目标指令可在1–2轮识别周期内完成解码，不存在过长延迟。对比现有多自由度触觉脑机接口，该系统四分类控制精度处于行业上游，且是少数能在同步肢体运动场景下保持高识别率的非侵入式方案，解决了同类产品多任务性能断崖式下跌的痛点。
▲双任务：连续可重复控制的双臂协调。视频©作者团队/Nat Commun
研究最突破性结论来自原生肢体运动性能测试，证实触觉脑机接口不会干扰人体自然动作。实验分别采集基线、脑机校准、在线同步操控三个阶段的滚珠平衡数据，通过有效旋转时长、总旋转时长两项指标评估手部协调能力。三天全部测试数据经重复方差分析，三组工况下手部运动指标无统计学差异，贝叶斯因子结果支持“脑机控制不影响原生运动”的原假设。
首日受试者初次接触双任务，数据存在轻微波动，但第二、第三天数据完全稳定，证明短期适应后，人体可完全分离两套运动控制通路，一边依靠脊髓与运动皮层操控双手，一边通过体感注意力生成独立机械臂控制信号，两套神经通路互不挤占运动资源，实现真正并行控制。
能干什么 | 功能场景验证
四条肢体协同完成多工序实操任务
科研团队搭建两套额外机械臂，依托这套触觉脑机接口设计四项完整实操任务，模拟工业辅助、精细分拣等真实应用场景。第一项单机械臂取球任务，受试者同步双手平衡滚珠，通过触觉指令控制机械臂移动至拾取点、抓取球体复位；第二项双臂协同放置吸管任务，依次控制机械臂取杯、夹持吸管投放，复刻流水线分步操作流程；循环搬运、二维空间连续位移两项任务，则验证系统长时间连续多步指令输出能力。
▲脑控双臂协同任务，已有开头章鱼博士拿帽子的雏形。视频©作者团队/Nat Commun
全部实操演示中，受试者全程维持双手精细操作，机械臂可精准按时序执行多步复合指令。传统脑机接口仅能输出单次开关指令，无法完成连续多工序操作，而本系统通过持续滑动窗口解码P300信号，将离散电位识别转化为连续控制输入，弥补了P300脑机接口只能单点触发的固有短板，拓展了机械臂作业的操作空间。
技术仍需迭代，但想象空间巨大
相较于运动想象、视觉稳态诱发电位（SSVEP）、肌电（EMG）等主流非侵入式脑机方案，本触觉编码P300脑机接口具备三大独有优势：一是控制信号完全独立于原生运动神经，无需占用身体其他部位作为控制媒介；二是不依赖视觉注意力，适配双手持续作业场景；三是短期训练即可大幅提升性能，普通无脑机使用经验人群三天内就能熟练操作四自由度机械臂。整套设备为非侵入式设计，无手术植入风险，硬件成本更低，更适合民用、工业场景普及。
现阶段技术仍存在可优化空间：P300电位本身存在解码延迟，快速动态作业场景响应速度有待提升；长时间持续振动刺激可能产生触觉适应，弱化脑电信号强度；当前仅支持离散式指令控制，难以实现机械臂连续无级调速。团队后续计划融合卡尔曼滤波优化解码平滑度，开发单试次脑电解码算法缩短响应时延，同时优化振动刺激方案降低触觉疲劳。
这项中英联合研发的触觉脑机接口，打通了人体原生肢体与超数机械臂同步控制的技术壁垒，填补了多任务运动增强领域的技术空白。在精密实验室操作、工业装配、微创手术辅助、灾后救援、运动障碍人群辅助等场景，这套非侵入式触觉脑机接口都拥有广阔落地空间。
随着算法、轻量化触觉硬件持续迭代，未来普通人无需冒险植入芯片，就能拥有安全可控的辅助机械触手，突破人体天然肢体数量限制，实现人机协同的全新作业模式，且不必担心沦为失控的 “章鱼博士”。
*注：目前刊发的是论文的预印本。
论文信息
标题：Concurrent control of natural and robotic limbs through a tactile-encoded brain-computer interface
期刊：Nature Communications
发表日期：2026/7/2
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-026-75213-3
作者团队：见下图
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