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七旬老张靠意念吃到了油条!脑机接口将塑造怎样的未来“超人”? 

2020-01-19 07:13 |浙江新闻客户端 |监制 王增军 策划、编辑 屠晨昕 设计 潘培

脑机接口(Brain-Computer Interface,BCI)是指通过在人脑神经与外部设备(包括电子和机械设备)间建立直接连接通路,来实现神经系统和外部设备间信息交互与功能整合的技术。脑机交互是人机交互的终极手段。

霍金生前依赖脑机接口与外界交流

科学家最初研究脑机接口技术的动力,来自于医疗领域,帮助那些因高位截瘫、渐冻症、肌萎缩侧索硬化、闭锁综合征等重度运动功能障碍患者,重建肢体运动、语言等功能。

事实上,迄今脑机接口技术的最主要领域,也都是在医疗康复临床实现运动功能重建。

埃隆·马斯克

而近年来,伴随着人工智能技术的突飞猛进,这项技术的潜在危险引起了广泛的重视,很多有识之士都对此发出警告。科技狂人埃隆·马斯克就说,人工智能“是关乎人类文明存亡的最根本的风险”。在他看来,保持与机器智能同步的最好办法,是升级人类智能。

2016年7月马斯克创立了“神经连接”(Neuralink)公司。在2018年11月的一次采访中,马斯克说,该公司希望“重新定义未来人类的样子”,帮助人类“实现与人工智能的共生”。

现有的脑机接口技术,主要分成侵入式非侵入式两大类。

侵入式脑机接口需要通过手术在大脑中植入电极或芯片,记录大脑局部场电位、单个神经元的活动和多个神经元活动。侵入式获取的大脑信号质量好,时间和空间解析度高,可取得比非侵入式更好的性能。但是因为开颅手术风险较大,目前侵入式在动物上应用较多,对人类的研究多限于瘫痪病人等特殊群体。

非侵入式脑机接口无需动手术,直接从大脑外部采集大脑信号。常用的非侵入式信号有头皮脑电(EEG)、功能近红外光谱(fNIRS)和功能核磁共振成像(fMRI)等,其中以EEG最为常见。EEG通常由头戴式的脑电帽通过电极从头皮上采集。

相对于侵入式技术,非侵入技术在日常生活中的应用也将更为广泛,发展前景巨大。

想象一下,早上醒来起床,只要你心里一动,灯就开了,心里再默默下个指令,咖啡机就开始自动帮你加热咖啡。懒得动手的话,还可以操控机械臂帮你忙,而这一切,都是由意念帮你完成。

不过,这样的产品目前还暂时无法像“天猫精灵”这类智能音箱一样商业化普及,脑机接口技术已经实现的常用应用场景,有以下这些:

相信你对于脑机接口技术应用的第一反应,就是凭借想象运动去控制一个设备。这也的确是这项技术在医疗领域最主要的应用方向,在大脑和假肢等外部设备之间建立一条直接传输大脑指令的通道,在脊髓及运动神经通路损坏但大脑皮层功能尚健全的情况下,让患者的脑部信号通过计算机解读,直接控制外部设备。

事实上,人工耳蜗是脑机接口目前为止最成功、临床应用最普及的技术。其原理是将声音信号转化成电信号直接传输给大脑,它已经可以帮助大量失聪者重新找回声音和交流的能力。

人造视网膜能像人工耳蜗协助听力一样协助视觉,它取代视网膜做眼睛本身会进行的操作,然后把电子脉冲信号传达给视觉神经。

比起人工耳蜗,这个要更复杂一些。第一例被美国食品药物监督管理局(FDA)批准的人造视网膜出现在2011年,它叫Argus II,有60个传感器,相比人类视网膜的100万个左右的神经元,太“傻大黑粗”了,只能看到模糊的边缘和形状、以及亮暗的差别。

用意念打字的技术相对比较成熟了。2019年10月在北京举办的第三届中国脑机接口比赛上,来自天津大学的魏斯文以每分钟在电脑屏幕输出691.55比特、相当于每分钟输出69个汉字的成绩,创造了中国利用脑机接口技术打字新纪录。

研究人员表示,脑电波打字的目标是在未来实现比键盘打字速度快5倍,并希望解码脑电波中的语义信息,最终实现不同语种人群之间的直接交流。

脑机接口还应用于一些非主流的场景,识别人的状态是开心、伤心、沮丧,用于监测人的疲劳值等等。

2019年7月16日,埃隆·马斯克召开新闻发布会,称“神经连接”已找到了高效实现脑机接口的方法——利用一台神经手术机器人向大脑内植入4-6微米的线,可以直接通过USB-C接口读取大脑信号,甚至可以通过iPhone控制,接收大脑信息和向大脑输入信息。

据复旦大学脑科学研究院院长马兰介绍,其电极束非常细,仅有人类头发宽度的1/4;同时这种电极束非常柔软,意味着它的植入给脑带来的创伤将明显减少,并可植入更深的脑区;另外,它所搜集的数据量很大。这项技术已开始在老鼠和猴子身上开始测试。

贺斌团队开发的非植入式脑机接口,让人用意念控制机器臂追踪屏幕上的光点。

据《科学》杂志2019年6月发表的论文,美国卡内基-梅隆大学医学工程系教授贺斌团队开发出一种非植入式脑机接口,能让人用意念控制机器臂连续、快速运动。研究人员表示,这一效果已经接近植入式脑机接口。

世界上第一款脑机接口AI假肢——中国强脑科技(BrainCo)公司的BrainRobotics假肢,被《时代》周刊列入“2019年度最佳发明榜单”。它使用一种能让用户与假肢互相学习的算法,让人的操作熟练度不断提升,同时使用了8个通道的肌电信号传感器,可做出精细的操控指令,甚至可以操作无限种手势。一位测试用户已通过该假肢与郎朗表演了四手联弹。

国内还有不少致力于脑电控制方面的科研团队,其中浙江大学“双脑计划”是其中耀眼的明星。

早在2012年,浙江大学团队就在猴子脑中植入微电极阵列,运用计算机信息技术成功提取并破译了猴子大脑关于抓、勾、握、捏四种手势的神经信号,使猴子能通过自身“意念”直接控制外部机械手臂。

2014年,浙大团队在人脑内植入皮层脑电微电极,实现“意念”控制机械手完成高难度的“石头、剪刀、布”手指运动,创造了当时的国内第一。

复旦大学脑科学研究院在感知觉、学习记忆等方面开展脑电活动解码研究,近期还研发出基于视觉信号的脑机接口,即“脑电驱动的变色龙”系统。

另外,陈天桥雒芊芊研究院的脑机接口项目,让瘫痪病人用意念精确控制机械臂,甚至模拟了触觉。

脑机接口技术正在一日千里地发展。我们已经开始攀登脑机接口的四层金字塔,逐级“改造”人类,实现“进化”。

通过心念操纵机器,让机器替代人类身体的一些机能,修复残障人士的生理缺陷。

2014年巴西世界杯开幕式,瘫痪的青年儒利亚诺·平托就是穿了这样庞大、笨重的外骨骼,通过脑机接口踢出了当年世界杯的第一球。

随着这个研究的持续深化,未来你只要心念一动,就可以控制手机、电视和汽车等工具。

通过脑机接口,改善大脑运行,让我们时刻就像刚刚睡了一个好觉醒来,精神抖擞、注意力集中、思维敏捷,能够高效清醒高效地去做一件事情。

美国旧金山的Smart Cap公司把脑电图做成了棒球帽。这个产品可以用来缓解卡车司机的疲劳驾驶,提高注意力,减少交通危险。

2014年,美国ABM公司则通过脑电图脑机接口训练实验者,使新手学习速度比原先提升了2.3倍。

有了脑机接口,人类不用语言,仅靠大脑中的脑电信号就可以彼此沟通,实现“无损”的大脑信息传输这种脑脑交互,彼此传递的本质是神经元群的活动。不像语言的模糊和词不达意,它是一种彻底的、100%的、毫无信息扭曲的“心领神会”。

什么叫心心相印?这就是心心相印!

记忆移植就是这个领域研究的重点——通过脑机接口,让我们短时间内拥有大量的知识和技能,获得一般人类无法拥有的超能力。

现在,科学家已经发现大脑海马体的记忆密码,开始尝试用芯片备份记忆,然后把芯片植入另一个大脑,实现记忆移植。这个实验已经在猴子身上取得成功。

这项技术的终极目的,是通过脑机接口技术,把大量的信息和资料传输到大脑里,或把大脑的意识上传到计算机,最终实现人类意识和记忆在计算机世界的永生。

2018年,未来学博士伊恩·皮尔逊提出了人类终将长生不老的理论。这不是通过人类的自身躯体实现的,而是通过把大脑与人形机器人结合实现的。皮尔逊写道:“假设你存够了钱,也做好了准备,你的大脑可以与一台人形机器人相连,用其作为自己的身体,然后还像从前一样,你还是你,只是换了一个更年轻、高度升级的身体。这有可能在2050年左右实现。”

在电影中,人类科学家利用基因技术将地球人的DNA和纳威人的DNA结合在一起,制造了一个克隆纳威人,然后用脑机接口技术将人类的意识控制这个克隆纳威人的躯体,成为人类在潘多拉星球上自由活动的化身。

而且在那个世界,万物都有一个类似于USB的接口,可以进行相互连接。比如纳威人与飞龙建立连接后,无需训练,就可以用自己的意识控制它的飞行。

这就是万物互联啊,也是我们现在物联网的发展方向。

1987年,大导演保罗·范霍文拍出了《机械战警》,讲述了未来世界一个被犯罪分子开枪打残的警探墨菲,借助脑机接口技术的力量获得重生故事,墨菲幸存的头部被安装在一具机械躯体内,从此刀枪不入,不再惧怕黑帮的子弹。

在这部科幻史经典三部曲中,人类就是被“母体”(matrix)用高级脑机接口技术囚禁在幻梦中。主角尼奥选择红色药丸,从梦中醒来之后发现自己生活在器皿之中,全身插满各种各样的管子,其中有一条直接插在脑后,之前在“母体”中的一切体验,都是通过这个接口实现。

2019年初的科幻电影《阿丽塔》呈现了一个人机融合极为普遍的未来世界,出现了形形色色的半机械人,比如街头卖艺的残疾人可以用机械臂自如地弹吉他。大脑保存完好的女主角阿丽塔,在安装了机械肢体后幸运重生,并在新的生活与战斗中找回失去的记忆。

虽然不如人工智能那样具有颠覆性,但脑机接口技术依旧面临着许多困难和挑战。

中国自动化学会混合智能专家委员会副主任、复旦大学计算机学院张军平教授在接受采访时,曾经表示:“脑机互联还面临很多技术和伦理方面的问题,在这方面,人类应该慎之又慎。”

技术上首先遇到的难题是,除了如何接收和识别各种不同的脑电波以成功提取人的准确意念,如是想要读书还是喝水外,还需要让使用者学会如何自我调节大脑活动,以便成功地操作这类技术,因为任何杂念和干扰都可能让意念操控机器差之毫厘、失之千里。

比如,前述浙大团队实现意念控制机械手完成“石头、剪刀、布”动作,就遭遇了很大困难,团队采用循序渐进的训练方法,训练耗费了4个多月时间,才获此成果。

侵入式接口最大的挑战是手术如何将对脑部的损伤降到最低,并且随着植入时间延长,穿刺电极被炎症细胞包裹,理论上会导致信号缺失。

还有个挑战在于电极植入部位的精准选择、信号的有效分析,需要对大脑功能结构和活动方式的深入理解;同时,在信号控制、微制造等领域,也将面临前所未有的挑战。

在可预见的将来,我们将会面临着电影《机械战警》里,将完好的大脑从坏死的躯干上分离出来、使其与机械身体融为一体的课题。那么,如何才能有效从身体上剥离大脑?这一点本身就极其困难。

更长远的问题在于,人机结合是有益于一小部分人,还是大部分人?

如果商业化以后购买这一产品的价格极为昂贵,那么富有者就能凭借这一技术极大强化自身能力,在人群中产生两极分化,那就违背了人们的美好初衷。


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