從《流浪地球2》談腦機(jī)接口BCI技術(shù)現(xiàn)狀？

導(dǎo)語(yǔ)：如果說AI的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)生命智能的極致，那腦機(jī)接口做的事就是打破有機(jī)生命智能與無(wú)機(jī)智能的信息邊界，實(shí)現(xiàn)融合。

最近《流浪地球2》火熱刷屏，筆者也在春節(jié)期間抽時(shí)間觀看了這部精彩的大片。中國(guó)科幻電影崛起的背后是“中國(guó)制造”和中國(guó)科技硬實(shí)力的崛起，正因?yàn)橹袊?guó)的航天事業(yè)蓬勃發(fā)展，中國(guó)的制造能力全球第一，中國(guó)建造太空電梯以及地球發(fā)動(dòng)機(jī)等橋段看起來(lái)才能讓人信服而不違和。

實(shí)現(xiàn)“數(shù)字生命”的兩大關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)于《流浪地球2》中涉及到的不少具體技術(shù)細(xì)節(jié)或科技，網(wǎng)上已經(jīng)有大量的介紹。本文將主要談一談實(shí)現(xiàn)電影中“數(shù)字生命”的關(guān)鍵技術(shù)：腦連接圖譜以及腦機(jī)接口技術(shù)。

腦鏈接圖譜這里簡(jiǎn)單說一下，就是對(duì)于人的大腦通過3D掃描進(jìn)行建模，相當(dāng)于為大腦的神經(jīng)元繪制一個(gè)地圖。這個(gè)地圖繪制得越精細(xì)，數(shù)據(jù)量越大，就能越準(zhǔn)確的模擬大腦的運(yùn)行軌跡和規(guī)律。在科幻電影中，將大腦進(jìn)行掃描并上傳到云端的技術(shù)，其實(shí)就是一個(gè)腦鏈接圖譜。只不過目前我們能夠進(jìn)行掃描繪制的只是靜態(tài)的圖譜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法做到電影中的實(shí)時(shí)變化的動(dòng)態(tài)圖譜。據(jù)了解，目前對(duì)于老鼠大腦的掃描，通過對(duì)神經(jīng)元的投射，進(jìn)行全腦血管的三維重建與標(biāo)注，其中的數(shù)據(jù)量可能達(dá)到10T級(jí)別。中科院駱清銘院士的研究方向正是腦連接方向。目前不少國(guó)家都在積極進(jìn)行腦科學(xué)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)，特別是美國(guó)、歐盟、中國(guó)都正在主導(dǎo)自己的“腦計(jì)劃”。

美國(guó)政府于1989 年率先提出腦科學(xué)計(jì)劃，并把20 世紀(jì)最后10 年命名為“腦的10 年”。奧巴馬政府于2013 年 4月 2日宣布“腦計(jì)劃”（BRAIN Initiative，通過推進(jìn)創(chuàng)新神經(jīng)技術(shù)進(jìn)行大腦研究），旨在探索人類大腦工作機(jī)制、繪制腦活動(dòng)全圖、推動(dòng)神經(jīng)科學(xué)研究、針對(duì)目前無(wú)法治愈的大腦疾病開發(fā)新療法。美國(guó)政府公布“腦計(jì)劃”啟動(dòng)資金逾1 億美元，后經(jīng)調(diào)整，計(jì)劃未來(lái)12 年間共投入45億美元。（本文重點(diǎn)介紹腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。如果各位觀眾對(duì)于腦鏈接圖譜技術(shù)現(xiàn)狀感興趣，歡迎留言，以后筆者會(huì)開新的文章介紹。）

另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是腦機(jī)接口BCI技術(shù)。這個(gè)技術(shù)在科幻電影中其實(shí)并不新鮮。電影《阿凡達(dá)》中主人公利用一個(gè)機(jī)器直接將自己的心智移植到了另一個(gè)非人類身體上，能隨心所欲就像操控自己的一樣的操控這具非人類的身體，具備所有的感知能力與操控力。

動(dòng)漫作品《刀劍神域》中通過頭戴游戲機(jī)，直接登陸進(jìn)入全新的虛擬世界，一切的法則遵從虛擬世界的設(shè)定，在這個(gè)虛擬世界里你可以把思想轉(zhuǎn)化為有形的動(dòng)作、印象或情感。與阿凡達(dá)的顯著區(qū)別就是，這個(gè)世界中你交流的對(duì)象還有無(wú)數(shù)和你一樣用這個(gè)方式進(jìn)入的虛擬世界的玩家。

其他涉及到腦機(jī)接口技術(shù)的作品還有：漫畫《機(jī)動(dòng)戰(zhàn)士鋼彈》、漫畫《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》、OVA動(dòng)畫《風(fēng)暴戰(zhàn)士ORGUN》、游戲《使命召喚：黑色行動(dòng)III》等等。

腦機(jī)接口（Brain-computer interface, BCI）技術(shù)是指利用中樞神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的信號(hào)，在不依賴外周神經(jīng)或肌肉的條件下，把用戶或被試的感知覺、表象、認(rèn)知和思維等直接轉(zhuǎn)化為動(dòng)作，在大腦（含人與動(dòng)物腦）與外部設(shè)備之間建立直接的交流和控制通道，其目的主要是為疾病患者、殘障人士和健康個(gè)體提供可選的與外部世界通信和控制的方式，以改善或進(jìn)一步提高他們的生活質(zhì)量。

1924年，德國(guó)心理學(xué)家Hans Berger 首次發(fā)現(xiàn)人的alpha波，命名為EEG。早在1970年美國(guó)UCLA大學(xué)就開始進(jìn)行腦機(jī)接口技術(shù)的研究。1978年第一個(gè)BCI用于輔助盲人行動(dòng)。2003年第一款BCI游戲問世。2009年日本開發(fā)高精度BCI控制的智能輪椅。如果說AI的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)智能的極致，那腦機(jī)接口做的事就是打破有機(jī)生命智能與無(wú)機(jī)智能的信息邊界，實(shí)現(xiàn)融合。

為何80%的專業(yè)人士?jī)A向于非侵入式腦機(jī)接口？

腦機(jī)接口技術(shù)的類型主要有兩種：根據(jù)采集方式的不同，腦機(jī)接口可以分為侵入式，部分侵入式還有非侵入式，侵入式通常植入大腦，部分侵入是顱腔內(nèi)，非侵入式只是需要體外穿戴，是當(dāng)前采用的主要方式。隨著國(guó)內(nèi)外非侵入式腦機(jī)接口開發(fā)日漸成熟，目前已可滿足臨床的需求，更便于產(chǎn)品落地和技術(shù)迭代。

其中侵入式腦機(jī)接口的代表是馬斯克創(chuàng)立的Neuralink。2020年9月，Neuralink完成了三只小豬的腦機(jī)接口植入；2021年4月，Neuralink完成了對(duì)猴子Pages的植入。埃隆·馬斯克表示，該公司正在努力在人腦和計(jì)算機(jī)之間建立直接聯(lián)系，他認(rèn)為這對(duì)于人類保持與人工智能的競(jìng)爭(zhēng)力是必要的。他還表示，該技術(shù)可用于幫助殘疾人或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者。由于腦機(jī)接口領(lǐng)域仍處于早期發(fā)展階段，雖然腦機(jī)接口的概念已成為研究課題多年，但在廣泛采用之前，仍有許多技術(shù)和科學(xué)挑戰(zhàn)需要克服。

不過，在2022年海口舉行的《首屆南渡江智慧醫(yī)療與康復(fù)產(chǎn)業(yè)高峰論壇》上，與會(huì)專家和現(xiàn)場(chǎng)觀眾就進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)投票，其中超過80%的醫(yī)療行業(yè)人士更傾向于非侵入式腦機(jī)接口。因受到技術(shù)、倫理等多重限制，侵入式腦機(jī)接口領(lǐng)域的研究投入小于非侵入式腦機(jī)接口，研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)數(shù)量遠(yuǎn)少于非侵入式腦機(jī)接口。舉例來(lái)說，在采集設(shè)備方面，侵入式腦機(jī)接口的其關(guān)鍵器件的研究和開發(fā)是與半導(dǎo)體材料和加工技術(shù)同步發(fā)展的，因?yàn)榇竽X組織的特殊性，其采集設(shè)備對(duì)安全性的要求極高。目前除了傳統(tǒng)的剛性電極，在柔性電極方面，Neuralink開發(fā)了馬斯克稱之為“神經(jīng)蕾絲”的技術(shù)，在人腦中植入細(xì)小的電極，微米級(jí)的螺紋插入大腦控制運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。每根線都包含許多電極，并將其連接到植入物。在中國(guó)，成立于2016年的科斗腦機(jī)也開42發(fā)出多種侵入式腦微電極。但是，技術(shù)仍存在瓶頸。

腦機(jī)接口技術(shù)的功效可以歸結(jié)為如下5 類：監(jiān)測(cè)（使用腦機(jī)接口系統(tǒng)監(jiān)測(cè) 部分人體意識(shí)狀態(tài)）、替代（腦機(jī)接口系統(tǒng)的輸出可以取代由于損傷或疾病而 喪失的自然輸出）、改善/恢復(fù)（主要針對(duì)康復(fù)領(lǐng)域，改善某種疾病的癥狀或恢 復(fù)某種功能）、增強(qiáng)（主要是針對(duì)健康人而言，實(shí)現(xiàn)機(jī)能的提升和擴(kuò)展）、補(bǔ) 充（主要針對(duì)控制領(lǐng)域，增加腦控方式，作為傳統(tǒng)單一控制方法的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn) 多模態(tài)控制）。 圍繞上述 5大功效，在具體應(yīng)用方面，腦機(jī)接口技術(shù)在嚴(yán)肅醫(yī)學(xué)、大健康消費(fèi)、輔助生活、娛樂游戲這四大領(lǐng)域應(yīng)用比較突出，其它可使用的應(yīng)用領(lǐng)域還包括人機(jī)交互、軍事等用途。

中國(guó)腦機(jī)接口技術(shù)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀？

近兩年來(lái)，隨著腦科學(xué)和類腦科學(xué)、人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，腦機(jī)接口也受到了更多的矚目，特別是資本的青睞。阿里達(dá)摩院發(fā)布《2021十大科技趨勢(shì)》預(yù)測(cè)指出腦機(jī)接口將迎來(lái)重大進(jìn)展，腦機(jī)接口幫助人類超越生物學(xué)極限。

中國(guó)的腦機(jī)接口研究最早是上世紀(jì)90年代，經(jīng)過多年發(fā)展，取得了一系列學(xué)術(shù)成果。不過，腦機(jī)接口系統(tǒng)中最重要的組成部分——神經(jīng)信號(hào)采集系統(tǒng)，一直被來(lái)自歐美的進(jìn)口產(chǎn)品所壟斷，導(dǎo)致我國(guó)難以形成完全自主可控的腦機(jī)接口系統(tǒng)技術(shù)體系，同時(shí)也限制了腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療以及其他領(lǐng)域的大范圍應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)于腦機(jī)接口的研發(fā)處于初期階段，無(wú)論是技術(shù)還是市場(chǎng)起步都比國(guó)外要晚。目前企業(yè)主要集中在醫(yī)療領(lǐng)域，非醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括教育和智能家居。近年來(lái)，中國(guó)腦機(jī)接口核心技術(shù)和硬件開始快速發(fā)展，特別是腦機(jī)接口芯片。

腦機(jī)接口主要芯片廠商，來(lái)源：中國(guó)信通院

其中由天津大學(xué)和中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)合作成立的中電云腦公司，在2019年發(fā)布了全球首款高集成腦-機(jī)交互芯片“腦語(yǔ)者”，算是走到了國(guó)際前列。

總的來(lái)看，腦機(jī)接口技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域研究?jī)r(jià)值重大，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，但其研發(fā)成本高、 周期長(zhǎng)，技術(shù)成熟度和產(chǎn)品化程度低，技術(shù)發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)。與國(guó)外腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀相比，中國(guó)在相關(guān)軟件，特別是算法層面，已與國(guó)際研究水平同步，部分領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。但硬件（包括設(shè)備、材料、芯片等）研發(fā)還尚需加強(qiáng)，部分存在“卡脖子”問題。

作為一種新興的、復(fù)雜的、涉及多學(xué)科的通信技術(shù)，腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展還很不完善，存在的問題還很多，有待于跨學(xué)科的多行業(yè)專業(yè)人員下大氣力研究解決。隨著神經(jīng)生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)等相關(guān)學(xué)科的不斷發(fā)展和融合，腦機(jī)接口技術(shù)或?qū)⑷遮呁晟啤?/p>

點(diǎn)評(píng)：科幻電影與科技倫理的討論

最后，筆者在觀看國(guó)外科幻電影的過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的危害。其實(shí)不同的科幻電影中經(jīng)常探討與技術(shù)相關(guān)的各種倫理問題和困境。一些常見的主題包括：

人工智能：創(chuàng)造具有類人智能的機(jī)器的后果，例如流氓人工智能的危險(xiǎn)，或賦予機(jī)器情感和意識(shí)的倫理含義。

基因工程：修改人類基因組的道德和倫理影響，包括優(yōu)生學(xué)的潛力，或創(chuàng)造優(yōu)于人類的新物種。

虛擬現(xiàn)實(shí)：人類過于沉浸于虛擬世界的后果，以及這可能對(duì)社會(huì)和個(gè)人身份產(chǎn)生的影響。

機(jī)器人與自動(dòng)化：自動(dòng)化對(duì)勞動(dòng)力和財(cái)富分配的影響，以及授予機(jī)器人決策能力的倫理含義。

數(shù)據(jù)隱私和監(jiān)視：政府和企業(yè)訪問大量個(gè)人數(shù)據(jù)的危險(xiǎn)，以及將這些數(shù)據(jù)用于邪惡目的的道德影響。

這些和其他技術(shù)倫理困境通常作為科幻故事的背景，并且可以為探索復(fù)雜的道德問題和考慮技術(shù)進(jìn)步的潛在后果提供一個(gè)平臺(tái)。

未來(lái)腦機(jī)接口技術(shù)的普及和發(fā)展，在未來(lái)是否會(huì)帶來(lái)科技倫理、信息隱私泄露以及濫用的問題？人機(jī)融合的過程中又是否會(huì)產(chǎn)生哲學(xué)上的困境？人的本質(zhì)究竟是由物質(zhì)決定還是思維決定？如果說AI的終極目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)生命智能的極致，那腦機(jī)接口做的事就是打破有機(jī)生命智能與無(wú)機(jī)智能的信息邊界，實(shí)現(xiàn)融合。

筆者認(rèn)為，對(duì)于科技倫理的思考并不是杞人憂天，特別是在技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快的中國(guó)，我們不能只看到技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，而忽視其缺點(diǎn)。所以筆者很高興《流浪地球2》第一次開始在電影中討論數(shù)字生命帶來(lái)的科技倫理問題，這是中國(guó)科幻的一小步，也是一大步。