天津大学科研团队探索将生物脑与机器结合 给机器装上会思考的“生物大脑”

来源:人民日报2026-05-20 09:54

天津大学医学部医学院的一间实验室内,一台小车正在缓慢移动,时而停顿,时而转向,每次避障的路线都不同。

“控制它的是计算机吗?”记者问。

“是,也不是。”天津大学教授、脑机交互与人机共融海河实验室片上脑机接口方向负责人李晓红说。数米外,只见恒温培养箱里,一颗直径仅毫米级、乳白色的肉球状物体悬浮在培养皿中,“这是我们培养的‘生物大脑’,它贴在芯片表面,通过导线与机器人相连。”李晓红说,有了它,协同智能交互系统就有了“生物计算机”的雏形。

给机器培养一个由干细胞发育而来、“活”的“生物大脑”,多年以来,李晓红和她的同事们,在持续尝试这件极为“科幻”的事,探索一条不同于传统硅基计算的全新智能路径。

李晓红曾是一名神经内科医生,在多年工作中,她曾亲眼见到脑机接口技术帮助失语患者,通过计算机将大脑意念转化为文字,恢复与他人的交流。“很多疾病,医生能用的方法有限,但工程方法却带来了希望。”李晓红说,正是这份临床体验,让她萌生了将生物脑与机器结合的念头。

2019年,李晓红进入天津大学工作,彼时,学校在脑机接口领域有研究基础,但多聚焦于硬件与算法。“如果完全转向一个不熟悉的工程领域,我的优势在哪?”反复讨论后,结合实验室的整体部署和自己所在团队的研究,李晓红的攻坚方向逐渐清晰:自己深耕的干细胞技术,正是培育脑类器官的基础,能否用干细胞在培养皿里“种”出一个类似人脑的结构,再让该结构通过脑机接口与机器交互?“想法刚提出来时,大家觉得既科幻又艰难。”李晓红回忆。

另辟路径,意味着从零开始。从筛选合适的人源干细胞,到精准控制培养环境、诱导其分化为脑类器官,每一步都是全新的挑战。“我们不是制造一个微型大脑,而是培育一个具备基本神经元网络、能产生和响应电信号的‘生物芯’。”李晓红说。

更难的是“对话”。如何让“大脑”“看见”世界并“表达”意图?研究团队与南方科技大学等单位紧密合作,打造一套名为“MetaBOC”的智能交互系统,形成了“培养—记录—训练—控制”的完整链条。团队成员邵文威副教授向记者展示:脑类器官被精心放置于一个布满数千个微型电极的芯片上,电极实时捕捉着神经元发出的微弱电信号——屏幕上,一道道波峰骤然跃起,那是神经元的“脉冲”,是类似生物脑思考产生的“字节”。

“雷达就是它的‘眼睛’,看到障碍物后,距离信息被编码成电信号刺激脑类器官;脑类器官处理后产生的响应信号,再被解码为机器人的运动指令。”李晓红进一步解释,“这模仿的正是我们人体‘感受—思考—行动’的基本逻辑。”整个过程,科研人员并不预设具体指令,只是通过反复训练,引导其学会避障。

实验显示:一个未经训练的“生物芯”,接到避障任务后,5到10分钟,避障成功率可超过50%;连续训练4天后,成功率可稳定在80%以上。

谈及未来,李晓红既充满希望,又坦言“道阻且长”。当前,脑类器官的规模(约10万个神经元)与芯片的电极密度,还远不能与拥有约千亿个神经元的人脑相比。“但如果我们可以解决营养供给等难题,让其长得更大,让电极更精细地连接更多神经元,它或许能够做更多事情。”李晓红认为,生物计算的最大魅力在于其超低功耗和高效学习潜力,这在深海、深空或应急救援等极端受限环境下意义重大。

无菌培养箱里,承载计算希望的“生物大脑”,仍在悄然生长。

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