【明东事迹】
“看到自己的科研成果能帮助更多有需要的人，是一件特别幸福、特别酷的事情，这也是我的职业最让我着迷的地方。”——明东
2016年11月18日，神舟十一号飞船返回舱在我国内蒙古中部预定区域成功着陆，天宫二号与神舟十一号载人飞行任务取得圆满成功。中共中央、国务院、中央军委致电祝贺：“天宫二号和神舟十一号载人飞行任务圆满成功，首次实现了我国航天员中期在轨驻留，并开展一批体现国际科学前沿和高新技术发展方向的空间科学与应用任务，标志着我国载人航天工程取得了新的重大进展。”在这批国际前沿任务中，备受关注的是一项颇具科幻色彩的前瞻性实验：人类历史上首次太空脑-机交互。人-智能机器人联合探测将是未来航天发展的趋势，其人机高协同性的特点将对人机之间信息交互的层次性、信息量、普适性等提出很高要求，而脑-机交互就为航天员直接通过大脑与机器人之间进行自然高效的信息交流提供了极有前景的解决方案。
这套神奇的太空脑-机交互实验系统的主要设计者就是天津大学明东教授。
也是一种“读心术”
人机交互，英文词条是：Human–Computer Interaction，直白的理解是人和计算机之间的互动，文雅点的说法是交互，有的解释说这里的计算机或者可以理解为“含有计算机的机器”。想到能喘气有思维，靠吃饭维持生命且有温度的人，与只能读懂0和1两种数字，靠电工作的冰冷的机器，二者之间发生互动，我的脑海里闪现出这样一个画面。我对机器人说，你能自己打自己一下么？机器人说我怎么能打自己呢。我说那你来打我一下试试。机器人抡起“胳膊”就是一个“巴掌”，于是我只有满地找牙去了。
明东团队研究的人机交互比这复杂，他们的研究内容是机器破译大脑的指令，同时传输并下达指令，让身体执行命令。这里的指令可以理解为“想法”，从这个角度来说，他的技术也可以理解为是一种“读心术”，不过这里的“心”不是心脏而是大脑。研究显示，大脑在想象或执行身体运动时都会伴随发生一种类似的“放电”行为。写到这里我脑子里突然蹦出来的词是在医院里能看到的“心电图”，以及心电图纸上的波形图。“读心”的过程是通过设备识别大脑执行某种特定认知任务时产生的相关脑电信息，以此判断大脑在“想什么”，譬如想举手，想抬腿，甚至是想伸舌头等，当然也可以是其他千奇百怪的想法，不过目前已有的主要研究成果还是主要集中在读懂大脑对肢体行为的想法。将脑电波与对应行为匹配的过程好像是破译密电码本的过程，人类大脑这部密码本的破译工作才刚刚起步，现在看到的也许仅仅是它第一页的前几行字。不过这并不妨碍我们对它未来广阔应用空间的畅想，等到那一天，男生女生谈恋爱或许就不需要一次次的问爱不爱我，做个测试就清楚了。
破译大脑的想法并不是科学研究的终极目的，让科学为人类所用，改善现有的生活，克服人类的局限，是科学技术向前发展的动力所在。这一点是明东从开始研究的第一天起就树立的思想，也是他从事脑-机交互研究的初心。
只是想帮助人
故事要从明东读博士的时候说起，他在读博期间曾赴香港大学医学院矫形与创伤外科学系开展合作研究，在那里的经历深深地影响了他以后的学习生活。香港大学拥有国际知名的康复医学研究中心，中心收治了很多有运动障碍的患者，其中很多人是由神经系统疾病引起的。亲眼目睹了这些患者的痛苦，以及这些患者背后亲人们的痛苦，搞生物医学工程的明东深有感触。人的神经系统非常脆弱，一旦受损很难再生，因此患者的后期康复治疗非常困难，由此明东萌发了试图通过自己的专业帮助这些人的想法。
当时，脑-机接口技术刚刚兴起，这种技术的突出特点是它可以在人体大脑和计算机（或其他电子设备）之间建立一个新的信息输出通路，并且这个通路能够代替外周神经和肌肉组织传递大脑信息。如果能把脑-机接口和神经肌肉电刺激两种技术有效融合起来，给神经受损患者建立一条新的人工运动神经通路，那病人或许就可以重获康复的希望。
怀揣着理想回到现实的研究中来，十年如一日的付出，面前的人工神经康复机器人系统由“神工一号”升级到“神工三号”，成功路上的收获让明东倍感欣慰。成绩背后是无数次失败后的坚持，是量变到质变的积累。当谈及今天的成绩时，明东最常用的一个词就是“水到渠成”。一路走来，他记得更多的是同行和朋友的鼓励与支持，如数家珍的是一次次成功的喜悦，而这份精神上的收获足以抵消所有体力上的付出。每天1点后才睡觉，6点多就起床，没有节假日，带病坚持工作的事情，就好像是别人的故事，与自己无关。
从2005年起，明东开始了脑-机交互用于神经康复的研究。首先是积累技术，为了满足不同的场景需求，寻找和优化更稳定可靠的解码技术与识别方法，他和同事们几乎重复了当时国际上所有的主流脑-机交互方式。
伴随着技术积累的不断成熟，应用问题逐渐提上日程，往哪里用呢？有句老话叫“说者无意，听者有心”，在一次和康复医生无意的聊天中，一种在康复临床领域的特殊治疗手段：运动想象疗法进入明东的视野。那时候他并不知道，这个契机不仅开启了他科学研究的新篇章，使训练型脑-机交互技术找到了用武之地，更是开启了中风患者康复的新途径。
当中风遇上“神工”
运动想象疗法的核心要点是在大脑中反复进行运动想象，根据运动记忆，在大脑中激活某一活动的特定区域，从而达到提高运动功能的目的。虽然只是想象，但却可以通过改善运动技巧形成过程中的协调模式，给予额外的技能练习机会，有助于学会或完成运动。运动想象疗法在之前由于缺少可靠的工程实现方法，因在临床中的应用非常有限，而这对于“神工”技术来说正是前所未有的好机会。
康复科最大批的患者是中风病人，这部分患者由于血管梗阻或出血造成脑部神经系统损伤，最终大脑指令不能正常传输，表现为肢体运动障碍。如果通过训练型的脑-机接口，能够正确获得并识别大脑意图，同时将指令传达给肢体并完成动作，反复强化这一从大脑至肌群的正常兴奋传导通路，是否就可以有效地促进障碍的运动反射弧逐渐恢复呢？
在众多疾病康复中，将中风患者的康复列为研究重点并非出于偶然。一方面中风患者多因为脑血管问题导致神经系统受损，伴随半身不遂或肢体行动障碍，存在的问题与研究技术能解决的问题的匹配度最高；另一方面中风是目前世界上致残率最高的疾病，且中国目前中风的发病率高达每12秒一人，社会需求度最高。
2014年6月14日，“神工一号”人工神经康复机器人系统问世，开创了中风病人脑-机-体交互康复的新疗法。在天津大学与天津市人民医院共同举办的新闻发布会上，借助“神工一号”机器人，因为中风导致偏瘫的董阿姨通过“想”，成功地实现了“指挥”原本无法行动的肢体完成所想的动作，引发了社会的热烈关注。这项技术的要点在于机器读懂了大脑所想，即破译了脑部“放电”，然后模拟周边神经通路，刺激患者瘫痪肢体产生相应动作。如此往复训练，刺激脑部神经系统可塑性变化，并与肌肉活动的同步整合与协调，最终促进患者相应运动功能的恢复，以及体内神经通路的修复和重建，最终实现康复的效果。更让人惊喜的是，“神工一号”系统还可以进行“中风后抑郁症”等关联疾病的辅助诊断，进行在线病理检测及筛查工作。
“神工一号”的成功带给了病人康复的希望，带给了明东更大的研究动力。时隔一年后，“神工二号”问世，并在山东省烟台山医院投入临床使用。这一次，整套设备从技术内核到传感模式，从软件设计到应用方式都有了明显的升级。最关键的是“神工二号”自身加入了优化功能，有效降低了因外界环境或个人心理等因素造成的系统错误触发概率，大大提升了系统的准确性和可靠性，这也从客观上扩大了该套系统的应用范围，可以服务更广大的患者。
目前，“神工二号”已经通过国家食品药品监督管理局的检测，应用康复患者已成百上千例，其中因中风导致偏瘫11年的患者经过几个月的康复训练，甚至可以用原来无法运动的右手一笔一画写出自己的名字。“神工”相关技术陆续获得天津市技术发明一等奖、天津市科技进步二等奖和天津市专利金奖等多项荣誉，被“观察者”评为“中国可能改变未来的十大科技成果”之一。天津市、山东省多家医院甚至已经迫不及待地通过科研合作形式预定了样机。
展望“神工三号”的未来，明东为我们描绘了一个美好的画面:也许不远的将来，“神工”可以化作一个体积更小的可穿戴便携设备，依然可以辅助病人完成更多复合精细的肢体动作，帮助到的人群也不仅仅是中风患者，还包括脊髓受损的患者。在明东的计划中，新型外骨骼、经颅物理刺激和虚拟现实技术一起，未来将给瘫痪患者一个生动、有趣、高效的康复训练。
“神工”上天
伴随“神工三号”同步研发成果的还包括这次随“天宫二号”一起上天的在轨脑-机交互技术试验系统。在太空失重条件下，航天员穿戴好设备，就可以通过大脑来“打字”，输出向祖国和亲人的问候。所谓意念控制实现人机互动，未来的设想是让宇航员在太空中只需要动脑就可以下达某些操作指令，最终实现人与智能机器人的联合探测。
当然，所有系统从陆地到太空失重状态，为了保证仪器的正常工作，明东带领的团队也是费了一番心思，他们与中国航天员中心人因工程国家级重点实验室合作，通过大量实验深入揭示失重、噪声、情绪等对脑电的影响，实现了高识别度、高稳定性、适于空间环境的脑-机接口自适应分类技术。建立了针对航天特征的实验策略和训练方法，大幅提高系统识别正确率，为有效开展天地差异对比建立了稳定基础。该系统的建立和成功测试为未来深入开展脑-机先进交互技术在轨适应性研究和技术应用起到了重要推动作用。
提到在太空探索大脑，不能不提到一个词“三磅宇宙”。将宇宙和大脑加以关联，来自于科学研究发现，宇宙的成长过程和结构与大脑细胞的生长过程和结构极其相似，而人脑约为三磅重，由此把人脑比作“三磅宇宙”。1906年诺贝尔生理或医学奖获得者、现代脑科学的奠基人之一、西班牙科学家卡赫曾说：“只要大脑的奥秘尚未大白于天下，宇宙将仍是一个谜。”某种程度或者也可以理解为人的大脑就是一个小小的宇宙，我们对大脑的了解还很有限。在明东的眼里，虽然对于宇宙的了解是无限的，目前人类对大脑探知也是有限的，但这并不妨碍我们利用当下对大脑有限的认识服务于人类。研究大脑或者宇宙的目的不仅仅在于研究，更在于为人类服务。因此，在对大脑探索的路上，明东和他的同事们乐在其中，乐此不疲。
人机互动走进寻常生活
如今，明东带领的团队已经将现有的研究成果转化为服务具体的生产生活，基于人感仿生神经系统的中央空调就是其中一个代表性的成果。人感仿生神经系统技术又被称为“智慧眼感知模块”，其中的“眼”指的是红外热感传感器和红外热释电传感器，两只“眼睛”随着电机转动对房间进行360度扫描，像人的感觉神经系统一样，能够获取房间内温度分布情况。随后，获取的数据经过“大脑”，即数据处理中心分析后，便向“四肢”即送风口的模块发出指令，调节风向和风量，来实现对人体的定向精准送风。既提高了空调的舒适度，又降低了能源消耗。设计中对人体热源与非人体热源进行有效区分，让指定温度调节更加精准，真正做到风随人动、风避人动、人来风至、人走风息。
未来，人机互动技术将更多地应用于寻常百姓的日常生活中，让我们的生活变得更加舒适，健康，环保。
潜心耕耘，不问收获
谈及这10多年来工作上的辛苦与付出，明东说的很少，因为兴趣所在，所以再多的付出都不算什么，成功的喜悦带给人精神上的享受抵得过所有的晚睡早起。从10多年前的一个想法，到如今的临床应用，可谓十年磨一剑终有所成。回首来时路，方知未来路更艰。“神工”技术的背后，数得过来的是六十余项授权国家发明专利，百余篇学术论文，看不见的是一批科研人早起晚睡、忘我工作的辛路历程。
目前，明东还在服务学校的学科建设工作。在他看来，这其实也是学术工作的有益组成，对于学科发展问题的思考，让他可以从战略性角度和高度理解不同学科的交叉与融合，从而有助于自己学术视野的拓展，这也是对自身科研能力与综合素养的另外一种促进。
明东在做的另一件“不务正业”的事情是科学普及，在他看来这同样是他份内的责任。科普工作耗时间，难度大，很多科学家不愿意做，但是他觉得这很重要，所以再难也要做。让更多的人了解脑-机交互技术本身，从科学角度认识技术，避免对科学的“神话”或“异化”，正确认识技术的用处和不足，科学家要做的事情还很多。当然，因为了解而有更多的患者使用“神工”机器人，改善患者的健康状况，从而帮助到更多的人，这是明东最高兴看到的事情，这让他更加觉得自己做了一件对社会有意义的事情。
人与工具的交互始于人类文明开始之初，始终贯穿人类的发展史，也终将伴随人类发展的整个过程，而人机交互注定将在未来更深刻地改变人类的生活与生产。人机交互的研究已经起步，而脑-机交互的未来则更为广阔，它代表了未来人机交互的最高形态。明东希望更多的年轻人因为听说而了解，因为了解而喜欢，因为喜欢而奋不顾身，他愿意做那个与大家一起“投身”脑-机交互的人。
谈到科研工作与学生培养，明东自有一套。从2006年正式留校任教，他就和学生工作生活在一起，不大的房间，即是实验室又是办公室。大家一起做学术，谈人生，谈理想，学习上的困难，生活中的困惑，学业上的发展，都是师生间经常涉及的话题。他对学生要求很严格，而学生却对他很亲近。逢年过节，明东不允许学生送礼物，孩子们就把积攒下来的感谢化成祝福，通过视频传达给老师，而看到自己的学生们学有所成、身心健康，对于崇尚精神上快乐的明东来说，同样是一种不可取代的幸福。在老师明东的心中，由天津大学学生投票选出的“我心目中的十佳导师”荣誉称号是让他觉得最幸福的肯定。
“坐言起行”是明东的座右铭，“坐而能言，起而能行；坐言起行，言行一致。”明东以此鞭策自己，鼓励学生。“坐言起行”寄托着他对学生在学习知识、开展科研工作、表达想法等能力上的期望，同时也是他要求自己和学生在做人、做事中共同恪守的准则。
明东读书时古文功底很好，现在也喜爱诗词，他填过一曲“清平乐”，最后两句是“莫谓光阴易老，进取只在今朝”。
明东说：如果将来我们看到自己的科研成果让更多有需要的人能够从中受益，那么我想，这将会是一件特别幸福、特别酷的事情。这也是我的职业最让我着迷的地方。
这就是明东，一个热爱科学，喜欢文学，眼睛会笑，衣着干净，朝气蓬勃的青年科学家。（选自《民主与科学》2016年第6期）