[读懂科学]人机连接…“超人类”即将到来

Published 26 Jun.2023 09:43(KST)

全身瘫痪患者凭意念行走，BCI 技术进化
携手人工智能创造超越想象的未来

“人工智能（AI）大约在2045年将超越人类能力，人类与计算机将实现连接，从而重生为‘超人类’。”这是前谷歌工程总监、未来学家Ray Kurzweil在其著作《奇点临近》中提出的观点。这样的预测是空想，还是预言？随着近期“ChatGPT”等的出现，人工智能领域快速发展，已显露出突破原有“期待值”的迹象。那么，将人类与计算机连接的技术，即脑机接口（Brain-Computer Interface，BCI）的研究开发情况又如何呢？同样正以令人惊讶的速度迅猛成长。

韩国科学技术研究院开发出利用脑机接口技术运行的外骨骼机器人，仅凭意念即可行走。图片由 KIST 提供

什么是BCI技术？

2014年由Johnny Depp主演的好莱坞电影《超验骇客》，讲述的是通过连接大脑与计算机，将所有记忆上传到计算机的时代。看似是遥远未来的故事，其实并非如此。根据国家科学技术研究会（NST）在2020年12月发布的资料，将大脑与计算机（机器人、机器等）连接的BCI技术大致分为四个阶段。第一阶段是获取脑信号，可分为在大脑中植入芯片的侵入式方式，以及在头部佩戴脑电图测量装置（EEG）或使用功能性磁共振成像装置（fMRI）的“非侵入式方式”。侵入式方式虽然精度高，但存在风险，且目前装置寿命有限，需要手术，存在炎症隐患，并会腐蚀而必须更换。相反，非侵入式方式无害且易于更换，但精确度较低。

捕捉、分析并利用脑信号并非简单工作。人类大脑大致分为四个区域：负责触觉的顶叶、负责视觉的枕叶、在听觉和语言功能中发挥作用的颞叶，以及与运动、发声、问题解决、情绪和复杂思维等相关的额叶。然而，这些区域的功能并非泾渭分明，而是通过网络相互收发信号。大脑的运作原理和精确机制迄今尚未完全揭示。目前BCI技术所使用的脑信号测量主要集中在大脑皮层，近年来对皮层下区域（Subcortex）和脑干（Brainstem）信号测量的研究也在积极推进。

大脑激活区域。图片出处国家科学技术研究院提供

第二阶段是准确接收脑信号并提取信息。多达870亿个脑神经细胞，各自通过超过1000个突触交换信号，要准确把握这些信号极为困难。再加上眨眼（Eye-blinking）、呼吸、心跳等噪音信号也大量掺杂其中。第三阶段是把握脑信号的特性，即确认特定脑电波在进行何种动作时产生，厘清其关联性。近来尤其得益于人工智能及深度学习技术的发展，将脑信号数据化并进行“翻译”的研发十分活跃。早已超越仅仅解读行走、喝水等简单动作指令的水平。比如，用fMRI拍摄正在观看动画片的参与者大脑，将不同时段的大脑活动变化数据化，再用人工智能分析并重现参与者所看到的视频，甚至已经达到捕捉思维并将其转化为句子的境界。

第四阶段，是通过这些信号把握意义与意图，并据此驱动外部装置的技术。也就是将脑信号转换为人类发送给计算机、机器人等机器的指令并加以执行。已经有研究成功地将全身瘫痪患者的大脑与计算机连接，驱动机械手臂、生成文字并转化为语音，或让其穿戴外骨骼机器人，通过脑电波控制而实现行走。

BCI技术将带来的惊人未来

目前，BCI技术在医疗领域，尤其是在全身瘫痪等残障患者康复方面展现出最大的应用潜力。因脊髓损伤、脑瘫等无法行走或活动的患者，仅凭“意念”就能驱动轮椅或外骨骼机器人进行活动，也可以输入文字，甚至操作智能手机和计算机。

此外，在无人机、自动驾驶汽车等移动设备领域，一旦引入BCI技术，也被认为将带来革命性变化。储存并上传人类记忆的道路也将被打开，电影中的情节有望成为现实。人类与计算机之间的交流速度可提高5倍以上，人类之间也有可能实现类似超能力的“心灵感应”。也就是说，人们仅凭思维就能接入计算机，将信息、感受和想法传递给远方的对象，实现如同漫画般的沟通世界。如今仍需借助复杂设备，且“沉浸感”不足、与现实有距离的虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等技术，有望在日常生活中普及，从而彻底改变我们的工作与生活方式。

韩国科学技术研究院的一名研究员身着利用脑机接口技术的外骨骼机器人，仅凭意念行走进行实验。照片由 KIST 提供

在医学领域，BCI已经在引领令人惊叹的“奇迹”。位于瑞士洛桑的瑞士联邦理工学院（EPFL）研究团队近期利用BCI技术，发表了堪比“耶稣神迹”的惊人研究成果。国际学术期刊《Nature》在本月1日刊登论文称，该团队在针对因脊髓损伤而丧失行走能力的患者开展脑脊髓接口（Brain-Spine Interface，BSI）技术研究时，发现相关患者恢复了自主行走能力。

研究团队在一名参与者大脑中负责行走功能的部位植入芯片，并与控制腿部肌肉的脊髓相连，构建可相互通信的BSI系统，佩戴后让其在家中自行使用并观察了一年。结果，这名参与者能够站立行走、上下楼梯，甚至可以通过复杂地形。然而，在其独自努力利用BSI系统进行行走训练的过程中，出现了“奇迹”：某天，即使在BSI装置关闭的情况下，他也重新获得了自然行走的能力。研究团队评价称：“数字桥梁（BSI）为在障碍发生后（受损的）动作控制能力恢复到原有状态奠定了框架。”

Musk究竟想做什么？

“怪才亿万富翁”Elon Musk在2016年创立的脑工程初创企业Neuralink公司，上月末获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准，开展BCI芯片植入临床试验。Neuralink公司开发的BCI芯片技术，是在大脑各处植入约1000根细丝状电极，比现有约250根电极能够更加精细地采集更多脑信号。据悉，为实现安全手术，该公司还自主开发了手术机器人，并通过了FDA的安全性测试，显示出商业化的可能性。Neuralink公司计划利用这项技术，不仅要解读BCI芯片植入者的意图、情感和思维并将其转化为动作，还将通过微弱电刺激，用于治疗大脑、脊髓、视觉等神经麻痹患者。Neuralink公司短期内将其用于医疗用途，同时以通过脑刺激实现功能增强、记忆存储等为目标，逐步扩大应用范围，使其普及并走入日常生活。

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韩国科学技术研究院（KIST）仿生学研究中心主任Kim Hyeongmin预测，BCI技术最终将使人们像做激光矫正手术那样，轻松对自己的大脑进行管理、维护和强化。他表示：“一旦BCI技术实现商业化，目前因技术局限而难以广泛应用的虚拟现实和增强现实技术将会普及，从而彻底改变我们的生活”，“与其采用需要手术的芯片植入等侵入式方式，不如朝着佩戴设备或在颅骨中植入芯片等更为非侵入式的方向发展，如果有人工智能技术作支撑，普通人也能以多种方式加以利用。”

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本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。