2019年，當(dāng)兩名印度工程師著手研發(fā)輔助型機(jī)器人設(shè)備時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)即便是最先進(jìn)的假肢手臂，使用起來(lái)也并不直觀。在早期實(shí)驗(yàn)中，他們轉(zhuǎn)而嘗試用腦信號(hào)而非肌肉信號(hào)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)。
2019年，當(dāng)兩名印度工程師著手研發(fā)輔助型機(jī)器人設(shè)備時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)即便是最先進(jìn)的假肢手臂，使用起來(lái)也并不直觀。在早期實(shí)驗(yàn)中，他們轉(zhuǎn)而嘗試用腦信號(hào)而非肌肉信號(hào)來(lái)控制運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)也成為了Nexstem的雛形。Nexstem是一家初創(chuàng)公司，由比爾拉理工學(xué)院(BITS Pilani)校友Siddhant Dangi和Deepansh Goyal于2020年創(chuàng)立，他們開發(fā)了一套模塊化的腦機(jī)接口(BCI)平臺(tái)，讓開發(fā)者和企業(yè)能輕松創(chuàng)建腦控應(yīng)用程序和設(shè)備(如圖所示)。
腦信號(hào)，也就是腦電圖(EEG)所記錄的信號(hào)，由大腦內(nèi)的電偶極子產(chǎn)生。Nexstem完全采用非侵入式系統(tǒng)，從外部捕捉這些微弱且嘈雜的信號(hào)。一旦捕獲，團(tuán)隊(duì)便利用算法識(shí)別其中的模式。Nexstem的平臺(tái)包含一款非侵入式頭戴設(shè)備和一套軟件開發(fā)工具包(名為Wisdom SDK)，它能讓開發(fā)者進(jìn)行實(shí)時(shí)EEG分析，并搭建無(wú)需編寫代碼的界面，將大腦活動(dòng)映射到控制系統(tǒng)中。
“比如，當(dāng)你想著向左或向右移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生截然不同的腦電波模式。”Nexstem聯(lián)合創(chuàng)始人Deepansh Goyal在接受筆者獨(dú)家采訪時(shí)解釋道。該公司的Motor Machine模塊能預(yù)測(cè)用戶執(zhí)行運(yùn)動(dòng)意圖，比如前進(jìn)、后退或推拉物體，這些指令可以控制輪椅或游戲中的虛擬角色，從而打造更具沉浸感的人機(jī)交互體驗(yàn)。
“我們正在搭建一座橋梁，連接頭戴設(shè)備接收到的腦電信號(hào)，以及處理這些數(shù)據(jù)并將其應(yīng)用到各類場(chǎng)景所需的軟件。”Nexstem首席執(zhí)行官Siddhant Dangi在一份聲明中表示。
圖：Nexstem首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Siddhant Dangi、戰(zhàn)略主管Abhishek Kateliya以及首席技術(shù)官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Deepansh Goyal手持Nexstem Instinct頭顯。(來(lái)源：Nexstem)
Nexstem目前正在向印度中央藥品標(biāo)準(zhǔn)控制組織(CDSCO)申請(qǐng)?jiān)S可，并已啟動(dòng)美國(guó)FDA的認(rèn)證申請(qǐng)流程。這家初創(chuàng)公司目前正與印度政府支持的項(xiàng)目合作，并于之前代表印度參加了在日本舉辦的一場(chǎng)醫(yī)療技術(shù)會(huì)議。
Goyal表示，Nexstem提供了一站式的全套解決方案，涵蓋硬件、電路板設(shè)計(jì)、編程和驗(yàn)證，所有環(huán)節(jié)均為自主研發(fā)。“我們的核心優(yōu)勢(shì)在于，任何人都能利用Nexstem的架構(gòu)構(gòu)建和部署應(yīng)用。我們處理的信號(hào)強(qiáng)度僅在1至10μV之間，而背景噪聲卻高達(dá)毫伏級(jí)。為此，我們專門研發(fā)了自己的模擬系統(tǒng)，以高性價(jià)比的方式捕捉這些微弱信號(hào)。”他說(shuō)道。
“通常，一家公司要打造這樣的系統(tǒng)，往往需要兩到三年時(shí)間和約570萬(wàn)美元的研發(fā)投入。而借助Nexstem，同樣的工作只需4到24周就能完成。”他補(bǔ)充道。
要研發(fā)出高保真且成本可控的腦機(jī)接口(BCI)，需要經(jīng)歷多輪設(shè)計(jì)迭代。“我們使用了西門子的HyperLynx和Expedition等工具進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)，并依賴ADI和TI的元器件。”Goyal介紹說(shuō)。
經(jīng)過(guò)10到12輪原型迭代，團(tuán)隊(duì)最終優(yōu)化了架構(gòu)。這家初創(chuàng)公司還建立了一套技術(shù)壁壘以防復(fù)制，包括定制的模擬和數(shù)字系統(tǒng)，以及基于FPGA的復(fù)雜集成。Goyal指出，其中一個(gè)挑戰(zhàn)是用于生物信號(hào)的高質(zhì)量ADC供應(yīng)有限。“與智能手機(jī)不同，智能手機(jī)的模塊化組件已經(jīng)高度標(biāo)準(zhǔn)化，而生物信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)則非常分散。我們實(shí)際上是在從零開始構(gòu)建整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。”
設(shè)計(jì)與制造策略
Nexstem的頭戴設(shè)備采用19通道傳感器陣列來(lái)記錄腦電信號(hào)，并配備了兩個(gè)主動(dòng)參考電極(共模感應(yīng)/驅(qū)動(dòng)右腿)，既能廣泛覆蓋大腦區(qū)域，又能保持低電極-皮膚阻抗，將噪聲干擾降至最低。該頭顯通過(guò)Wi-Fi或藍(lán)牙連接，續(xù)航時(shí)間約為4小時(shí)，并采用了記憶海綿襯墊，確保佩戴舒適。
在設(shè)計(jì)上，它結(jié)合了剛性、柔性以及剛?cè)峤Y(jié)合的PCB板，以保持緊湊的體積。公司擁有內(nèi)部原型制作設(shè)施，并依靠代工廠進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，其中約90%的產(chǎn)能位于印度。不過(guò)，Goyal也指出了印度PCB制造商的局限性。“在這里生產(chǎn)復(fù)雜的20層或24層電路板非常困難。大多數(shù)廠商仍使用機(jī)械鉆孔而非激光設(shè)備，這限制了精度，無(wú)法與中國(guó)臺(tái)灣、日本或韓國(guó)的廠商相比。”
為了擴(kuò)大規(guī)模，Nexstem計(jì)劃將小規(guī)模制造整合進(jìn)內(nèi)部體系。
“高質(zhì)量的制造商通常只接大批量訂單，這就留下了中等規(guī)模需求的缺口。”Goyal說(shuō)道，“自主生產(chǎn)能幫助我們保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并牢牢掌控生產(chǎn)流程。”
商業(yè)模式與客戶群體
Nexstem的主要客戶包括研究人員、實(shí)驗(yàn)室以及NIMHANS、班加羅爾印度科學(xué)研究所(IISc)和多家印度理工學(xué)院(IIT)。該公司已與多所大學(xué)簽署了合作備忘錄，并正與多家醫(yī)院洽談試點(diǎn)項(xiàng)目。“我們的客戶都是敢于創(chuàng)新的先鋒——任何想把人體信號(hào)集成到產(chǎn)品里的人都在其中。”Goyal表示。
該SDK允許用戶利用基于GPU算法的拖拽界面開發(fā)BCI應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算。公司的商業(yè)模式是IP授權(quán)。目前提供三種模式：免費(fèi)版、每月15美元的本地版，以及每月100美元的云方案(后者無(wú)需單獨(dú)的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施)。
“企業(yè)通常購(gòu)買年度許可，并包含版稅成分。”Goyal解釋道。根據(jù)客戶需求，他們可以獲取Nexstem的IP授權(quán)，定義自己的產(chǎn)品規(guī)格，并在兩到六個(gè)月內(nèi)開發(fā)出自己的產(chǎn)品版本。
“我們不是ODM或IDH。如果你想造手機(jī)，你不會(huì)自己去造CPU，而是會(huì)從高通購(gòu)買IP授權(quán)。”Goyal解釋道，“同樣，我們授權(quán)IP，讓客戶能集成我們的模塊并開發(fā)自己的產(chǎn)品。”
客戶可以根據(jù)數(shù)據(jù)是在云端還是邊緣端處理，來(lái)選擇傳感器、計(jì)算模塊和連接選項(xiàng)。“邊緣計(jì)算能更好地保障數(shù)據(jù)隱私，因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)會(huì)留在本地設(shè)備上。”他補(bǔ)充道。
Goyal進(jìn)一步闡述了數(shù)據(jù)隱私問(wèn)題，并強(qiáng)調(diào)了透明度。“脫離了上下文的生物電位信號(hào)本身毫無(wú)意義。”他解釋說(shuō)，“我們的算法流程是完全透明的。用戶能看到我們?nèi)绾翁幚硭麄兊臄?shù)據(jù)、數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)，并且他們可以隨時(shí)完全掌控并刪除數(shù)據(jù)。”
截至目前，Nexstem已籌集了約570萬(wàn)美元，這筆資金足以推進(jìn)其研發(fā)工作，并擴(kuò)充其由29名跨領(lǐng)域人才組成的團(tuán)隊(duì)。“很長(zhǎng)一段時(shí)間里，我們團(tuán)隊(duì)只有七八個(gè)人。而且由于我們自己負(fù)責(zé)原型制作，整個(gè)過(guò)程既快又省錢。”Goyal說(shuō)道。
下一個(gè)里程碑是將技術(shù)微型化，使其適用于可穿戴設(shè)備，并最終研發(fā)出專屬芯片。“我們的目標(biāo)是與臺(tái)積電、三星或高通等半導(dǎo)體公司合作。”Goyal指出。這家初創(chuàng)公司目前正在美國(guó)尋找一位深諳硬科技和消費(fèi)電子領(lǐng)域的領(lǐng)投人。
近期，Nexstem的重點(diǎn)是履行對(duì)國(guó)防、醫(yī)療、健康、體育、游戲和娛樂(lè)等行業(yè)客戶的承諾。“比如，游戲公司可以使用我們的Instinct頭顯來(lái)追蹤用戶在游戲中的感受。”Goyal說(shuō)道，“根據(jù)用戶的情緒狀態(tài)，VR游戲甚至能動(dòng)態(tài)改變劇情走向。”
構(gòu)建印度的神經(jīng)科技基石
盡管取得了進(jìn)展，Nexstem所處的生態(tài)系統(tǒng)仍處于起步階段。“說(shuō)實(shí)話，印度幾乎沒有神經(jīng)科技生態(tài)可言。”Goyal表示，“我們正在嘗試自己搭建一個(gè)。”
公司每個(gè)月都會(huì)舉辦“神經(jīng)科技圓桌會(huì)議”，連接研究人員和創(chuàng)業(yè)者，共同探索應(yīng)用場(chǎng)景和合作機(jī)會(huì)。“放眼全球，神經(jīng)科技大多還停留在實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)院里。因?yàn)槌杀竞驮O(shè)備體積的限制，它從未真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。我們目前已經(jīng)解決了大約80%的難題。”他說(shuō)道。
Goyal指出，目前在教育和風(fēng)投領(lǐng)域的興趣依然有限，但公眾認(rèn)知正在提高，這也得益于Neuralink等公司的推動(dòng)。“當(dāng)我們起步時(shí)，也就是Neuralink成立前一年左右，關(guān)于神經(jīng)科技的研究論文只有100到200篇。現(xiàn)在這個(gè)數(shù)字正在增長(zhǎng)。”他說(shuō)道。
隨著Nexstem向微型化和芯片級(jí)集成邁進(jìn)，Goyal透露，公司的終極目標(biāo)是轉(zhuǎn)型為一家完整的生物信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)施提供商，為各行各業(yè)的腦控系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。
(原文刊登于EE Times美國(guó)版，參考鏈接：Brain-Controlled Interfaces Redefine Human–Machine Interaction，由Franklin Zhao編譯。)
本文為《電子工程專輯》2026年5月刊雜志文章，版權(quán)所有，禁止轉(zhuǎn)載。免費(fèi)雜志訂閱申請(qǐng)點(diǎn)擊這里。
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