脑机接口的未来

  脑机接口迎合了人类“爱智慧”的内心向往,是人类对智能不断追求的产物,是信息技术长期演进的必然选择。人机融合是未来十年发展的必然趋势,如果说人工智能在打造“半人类”的机器,那么脑机接口就是在发展“半机器”的人类。

  人机智能互通成必然趋势

  近日,埃隆·马斯克成立了一家医疗公司Neurallink,旨在开发脑机接口。而Facebook也于2016年成立了一个神秘的研究部门研发脑机接口技术,扎克伯格希望造出一款拥有“读心术”,能让人们通过脑电波进行交流的电子设备……

  人脑与机器进行直接信息交互(脑机接口)被认为是提高人机互通效率的行之有效的方式。人与机器智能互通是信息化时代下人类社会发展的必然趋势。其中,互联网与物联网是实现万物互联的重要手段。遍布于机器和人体的传感器、手机、平板等各类智能终端,把人与机器紧密地连接起来。人类通过敲击键盘、触摸屏幕、生物识别、语音控制等方式间接与机器建立联系,传递决策指令,指挥机器运行。然而,这类方式仍显效率不足,人机连接仍需多跳(如果人机交互执行被算作一跳)才能完成。以打字为例,手指打字速度约为每秒10bit/s(即Bits per Second,比特/秒),而机器处理速度则为每秒万亿比特,二者间存在巨大的通信速率剪刀差。人脑是高度复杂的信息处理系统,有数十亿神经元进行互连通信,速度高于机器20个数量级。

  脑机接口通过在生物大脑中安装微脑电极,建立大脑与外部设备间的连接通路,形成人类与机器的一跳连接。脑机接口是一个“脑-机-脑”闭环反馈系统,包括脑电信号采样、信号放大与传输、脑电信号解码、编码反馈等四步。目前脑机接口主要分为植入式和非植入式两类。其中,植入式是指向人脑植入控制芯片,对脑电信号进行高级表达;而非植入式是指在人脑头皮安装脑电电极,实现对脑电信号的初级捕捉。二者成为人机互通的有效通路。

  控制外物与机体增强扩展协同发展

  脑机接口研究作为前沿科技,一直为业界关注。其研究历经“由外而内、内外兼进”的过程,即首先从控制外物向机体增强扩展,最后二者协同发展。

  早期的突破主要是意念控制方面。1963年,英国Grey Walter医生利用脑电电极采集癫痫病人大脑神经信号,并把神经信号转换为电信号,传输至幻灯片播放器,实现病人用意念控制幻灯片播放。1988年,脑机接口技术又取得突破,美国和瑞典科学家分别实现用人脑控制虚拟打字机和驱动轮椅行进。

  20世纪90年代以来,随着人体植入设备的问世,脑机接口技术被用于人体机能增强,即恢复损伤机体听觉、视觉和肢体等功能。2006年,日本科学家研制出“混合辅助腿”,帮助残疾人以每小时4公里的速度行走,并能托起40千克重物。

  近五年来,意念控制和机能增强均有所发展。在意念控制方面,2013年,英国研究人员开发出用于控制飞船模拟器的“脑机接口”装置,美国科研人员创建了能够意念控制飞船飞行的程序。2016年,脊髓损伤患者通过机器人手臂神经接口系统获得了触觉;肌萎缩侧索硬化患者依托新型大脑植入体具有了语言能力。不久前,脑机接口技术又有了一定进展。埃隆·马斯克计划成立脑机接口公司Neuralink,研发治疗癫痫、重度抑郁症等脑部顽疾的先进植入脑电产品。

  世界各国高度重视脑机接口技术。20世纪90年代,美国提出了“脑的十年计划”,欧盟成立了欧洲脑十年委员会,日本政府投入200亿美元实施了以“认识脑、保护脑、创造脑”为主题的脑科学时代计划。2013年,美国开展了人脑研究计划,欧盟启动了为期10年的“欧洲人类大脑研究计划”,我国也启动了中国脑计划。

  产业化仍在探索

  脑机接口产业化方向主要以脑外式和植入式设备的开发为主,脑外式设备的发展成熟于植入式设备。脑外式设备研发成本较低、商业风险较小,但对脑部活动感知不够灵敏;而植入式设备对脑部感知灵敏,但研发周期长、商业风险高。

  脑外式产品主要应用于外部设备控制和人类情绪追踪。美国科技公司Emotiv于2007年发布了脑电设备Emotiv EPOC,其可以将采集到的脑电图转化为数字信号,从而控制飞行器运动;2014年,Emotiv又推出了脑电图监测头盔Insight,用于监测用户脑电活动,追踪和改善用户注意力、情绪。BrianCo公司开发了脑穿戴设备Focus 1,实现意念控制家居产品和医疗设备的关闭。NeuroSky公司研发了识别用户情绪的可穿戴脑电产品。我国云睿智能公司研发的脑电产品可实时采集、分析和显示大脑状态,判断用户情绪状态,匹配情绪推送音乐或图像。

  植入式设备主要应用于人体机能增强。美国国防高级研究计划局(DARPA)启动了颅内芯片研究项目靶向神经可塑性训练,植入大脑的芯片通过与既有神经网络展开良好协作,可增强人类学习识记、逻辑运算等功能。Kernel公司通过植入人脑内的微型装置激活神经元,把输入大脑的外界信息转化为长期记忆,提升用户记忆力。Synchron公司研发的Stentrode产品接入大脑后,可使瘫痪患者控制通信装置、高级假肢和外骨骼等外部设备。

  从Gartner公司发布的2016年度新兴技术成熟度曲线看,脑机接口处于发展触发期,距离商业化仍有距离。目前,脑机接口进化成熟有两方面桎梏。一是应用领域狭窄,企业内生发展能力薄弱。目前脑机接口应用受众有限,缺乏可引领规模化消费的应用。无论是设备控制、情绪追踪,还是机能增强,都未戳中广泛用户的痛点需求,用户消费意愿和频次都不强,无法形成2C级大规模应用,企业难以用内生造血补给研发和运营环节。二是市场资本介入谨慎,技术外融发展动力不足。脑机接口初创企业资金实力有限,亟须外部融资支持才能研制出拳头产品;而市场资本顾忌于该技术研发链条长、商业风险高等问题,在没有看到热点产品问世以前,不敢押注投资。脑机接口产业发展陷入了“鸡与蛋”的悖论。

  未来突围路径

  明确应用定位和发展路线。回顾最近火爆的人工智能、区块链、虚拟现实等技术的应用方向,它们无不是与经济社会重大需求紧密结合的。其中,人工智能解决了社会脑力替代的问题,区块链加快了经济活动运行效率,虚拟现实丰富了人机交互体验。因此,脑机接口发展应首先明确应用定位,切中社会普遍痛点需求,即提升人机交互体验和效率。

  做大云脑移动互联。脑机接口应与移动互联融合发展,变脑机分离为脑机互融,变人脑孤岛为人云一体。人类可通过脑电波泛在、即时控制汽车、电器、手机等设备运行,也可通过脑电波完成远程社交,而不用诉诸键盘。同时,大脑不再是孤立的思想岛屿,而将成为云平台的一部分,完成信息的迅速生产、汇聚、交互和加工。

  做深娱乐领域。从爆款游戏口袋妖怪引爆增强现实技术来看,游戏娱乐仍是新兴技术迅速实现商业化的主攻方向之一。脑机接口可以利用头戴式脑外设备提升用户在游戏中的感官体验,为用户提供接近真实的视觉、嗅觉、触觉等复合感官效果,力争成为游戏娱乐领域比拟虚拟/增强现实技术的重要方案。

  做细垂直领域。脑机接口在医疗领域已有所斩获,包括情绪感知、官能增强等,能治疗抑郁症、器官损伤患者。未来应进一步向临床诊断领域拓展,通过对大脑特定区域进行电流诱导,完成对病变区域的探测诊疗。此外,在教育领域,通过对学习用户脑部记忆区域电流刺激,实时转变临时记忆为长期记忆,提升学习人群识记能力;同时,还可研究在学习用户脑中实时展现教学内容图像,增强用户感性认识。

  做足资金支持。鉴于脑机接口企业内外交困、市场资本逡巡不前,政府应从研发和应用两端加大资金支持力度。在潜力企业、科研院所中遴选一批应用前景清晰、有一定研发实力的孵化项目进行研发资助;加强脑电产品的商业化推广,采用补贴应用、贴息等形式推动产品在医疗、教育、娱乐等领域的落地。

  总之,脑机接口技术已发展了54年,但是仍在探索之中,学研产用周期长、应用领域狭窄、资本支持力度不足等问题限制其发展。未来,脑机接口应从明确应用定位和发展路线、做大云脑移动互联、做深娱乐领域、做细垂直领域、做足资金支持等方面实现突破。

  文/刘鹏宇

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