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腦機接口接連取得突破進展,我們離“超人類”還遠嗎?

如果你也是一名科幻迷,那你對腦機接口(brain-computer interface,BCI,人或動物腦與外部設備間建立的直接連接通路)一定不會感到陌生——在上個世紀的賽博朋克風格的作品中,腦機接口可是大有作為,《攻殼機動隊》裡素子後頸的接口與全身機械化的“義體”,《黑客帝國》中腦後插管與直達大腦的虛擬世界,這些想象的背後,都要依賴高完成度的腦機接口才得以實現。

圖 | 《攻殼機動隊》

人類對腦機接口的想象並沒有停止。近年上映的《頭號玩家》、《阿麗塔:戰鬥天使》以及美劇《愛·死亡與機器人》,還在講著人與機器的故事,科幻作品鍾愛借助機器,延伸人類大腦的空間和力量。

站在時代的臨界點上,科幻作品的場景正在照進現實。創造超人類,是人類進入某個階段開始有的目標。

尤瓦爾·赫拉在《未來簡史》中這樣描述這種欲求:“人類在20世紀的偉大成就——克服饑荒、瘟疫和戰爭——都是為了讓所有人享有富足、健康與和平。之於21世紀的新議題:獲得永生、幸福快樂、化身為神,也同時希望為全人類服務。”

欲求背後,還有恐懼。儘管目前,我們仍處於弱人工智能時代,但在越來越多的領域中,機器都戰勝了人類。在矽谷“鋼鐵俠”馬斯克看來,未來確保人類的經濟價值,“生物智能和機器智能的結合”將是必要的。

一直以來,新興科技領域都是IDG資本重要的投資賽道。押注科技,也是押注人類的未來。

馬斯克“代言”的腦機接口,到底是什麽?

“腦機接口可以讓我們跟上AI的腳步。”馬斯克的Neuralink7月17日最新產品發布會上激動到一度笑場。

十秒鐘之內,雷射在頭骨上鑽孔,機器人“縫紉機”將人類發絲一半粗細的電路插入大腦,精確避開血管。人腦到機器的信息傳遞表演開始。

圖 | Neuralink

馬斯克所期待的腦機接口的未來,是像微創眼科手術一樣,快速、安全無痛地植入腦機接口芯片。你可以通過USB-C接口讀取大腦信號,甚至可以通過iPhone控制,接收大腦信息和向大腦輸入信息。

這正是腦機接口的兩個最基本的問題[1]:

第一,如何從大腦中獲取正確的信息?這個問題是“從腦到機”,捕獲大腦的輸出信號,並試圖去理解神經元在做什麽。

第二,如何將正確的信息發送到大腦?這個問題,則是“從機到腦”,用機器的方式刺激大腦,輸入信息或者改變大腦的自然狀態——例如,如何幫助盲人重建視覺。

在當前的研究中,“從腦到機”已經有了一些研究成果。

典型應用如機械義肢,已經有了幾十年的發展,1977年,德國一家公司研發出世界上第一個完全使用微處理器控制的義肢。2016年,世界首屆半機械人運動會(Cybathlon)在瑞士蘇黎世舉辦,比賽項目只是爬樓梯等簡單運動。下一屆Cybathlon將於2020年舉行。[2]

去年,麻省理工的Hugh Herr教授在演講中展示了自己因事故截肢後裝上的機械腿——這對機械腿利用殘存的神經信號工作,它們能跑能跳,但不能將觸覺反饋給教授本人。為了解決這個問題,教授團隊研發出一套模擬神經衝動的人機界面,讓義肢可以反饋觸覺,甚至靈敏地發現“腳”底粘上了東西。[2][3]

Hugh Hurr教授 | 圖 TED

機械義肢只需要連接外圍神經,另外一些圍繞大腦的更高級的應用也有了突破性的進展。

就在今年4月,來自加州大學舊金山分校(UCSF)神經外科系的Edward Chang等在Nature雜誌上發表了題為Speech synthesis from neuraldecoding of spoken sentences的研究論文,報導了腦機接口領域的一項重大進展:將實驗者(被植入侵入式電極的癲癇患者)說話時的腦皮質電圖信號,解碼為發音器官運動的特徵,再合成為人類可以直接理解的語音。將這些通過腦機接口獲取的單詞或短句的語音交給人類聆聽者辨別,識別的成功率接近70%。作者認為,聆聽測試的結果表明,用腦電波解碼合成的語音已經具有足夠高的現實應用價值。[4][5]

在更早的研究中,通過非侵入式的腦電圖,也可以實現簡單的視覺判定——如在螢幕(二維空間)上選擇單詞、移動游標等簡單操作。2016年12月,明尼蘇達大學研究者Bin He等,通過非侵入式的腦電圖(EEG),讓實驗者僅用意念就可以控制機械臂在三維空間中抓取物體等複雜操作。[6]

意念控制機械臂。圖 | College of Science and Engineering, University of Minnesota

而“從機到腦”,卻是基本沒什麽頭緒。機到腦的研究相比腦到機要緩慢許多,原因就是目前神經科學對於神經編碼的具體方式還處於未知狀態。而由機到腦對神經編碼知識的需求要遠大於從腦到機。神經科學在單神經元的研究也正在逐漸明朗,但大腦各種神奇之處根本無法解釋。

2013年時,史丹佛大學教授KrishnaShenoy說,我們對大腦的理解,就跟在16世紀初人類對世界地圖的了解差不多。而哈佛大學的教授Jeff Lichtman的說法則是,“如果大腦總共包含的知識原理有一英裡長,我們已經在這個路程上走了大概3英寸。”[1]

多學科交叉下的創投賽道

沒有人會懷疑,腦機接口技術將產生巨大的價值。

醫療領域,無疑是該技術落地最迫切的場景。想象一下,借助腦機互動和外骨骼機器人,高位截癱患者也能自如控制肢體,健步如飛。馬斯克本人也表示,預計明年年底會應用於人類病患。

再想象一下,未來用腦機接口技術來打《王者榮耀》是不是會很像《阿凡達》裡的意念控制情節?

再想多一點,到腦機接口成熟後,人們是否會利用它做肢體的升級?也就是所謂的“人類增強”(Human Intelligent)。在漫威影片中,普通人秒變鋼鐵俠托尼·斯塔克的畫面,是否會從炫酷的科幻走向現實?

腦機接口,給“超人類”提供了一條路徑,但瓶頸依然不少。

腦機接口的劃分形式一般也是看信息采集方式為主的,通常被分為非侵入式、半侵入式、侵入式三種形式。

其中非侵入式,一個經典的思路是腦電圖(EEG)——在清華等高校的實驗室裡,你甚至可以申請成為志願者,戴上“腦電帽”做些簡單的操作。非侵入式由於顱骨對信號的衰減作用和對神經元發出的電磁波的分散和模糊效應,記錄到信號的分辨率並不高。

侵入式腦機接口,如馬斯克的Neuralink所展示的,此類腦機接口通常直接植入到大腦的灰質,取得直接的、高質量的神經信號。侵入式腦機接口的核心問題之一,是如何盡量避免大腦創傷。Neuralink的科學家在近期接受《紐約時報》採訪時也說,未來希望可以用雷射束穿過頭骨,而不是鑽孔。

這需要材料學的突破、精準的機器操作、生物學、神經科學以及機器學習等多學科的合作,不可有短板。

就馬斯克這次發布的產品而言,其中一個突破就是材料學,即細且具柔性的“線”(thread)。這些線的直徑大約30-40微米,而頭髮直徑一般是80微米左右。因為大腦是會在頭骨中移動的,而柔性的線可一定程度上避免腦部受損。

再比如,發布會的另一個亮點,就是將“發絲”精準送入大腦的“縫衣機器人(sewingmachine)”。它本質上更接近於一台配備了很多影像捕捉設備的高精度機床。十秒之內一氣呵成完成數個步驟,從雷射打孔到插入電路。

複雜交叉學科的另一面,是寬廣的賽道。IDG資本多年以來一直關注高端製造,以及新一代技術在醫療、教育及娛樂領域的應用。

圖 | 矽谷live

作為一種全新的輸入輸出方式,腦機接口的應用也將橫跨數個行業領域。甚至有人認為,腦機接口作業系統也極有可能成為繼Windows(電腦作業系統代表)、iOS(手機作業系統代表)、Alexa(語音作業系統代表)後又一大人機互動系統。

據業內第三方統計,從狹義上講,即從腦機接口設備(EEG/EMG)的維度來看,市場規模在5年內將達到25億美元。

廣義上,從腦機接口將深度影響的數個科技領域來看,市場規模在5年內將達到數千億美元,其中包括但不限於:ADHD腦機接口反饋治療460億美元,大腦檢測系統120億美元,教育科技 2500億美元,遊戲產業1200億美元。

半導體與AI催熟腦機接口,讀懂大腦還需要腦科學

人腦與AI互動的核心問題是“帶寬”問題,也就是信息傳遞的性能問題。Neuralink的宗旨也直指這一點——“開發連接人類和計算機的超高帶寬腦機接口(Developingultra high bandwidth brain-machine interfaces to connecthumans and computers)”。

儘管這次發布會透露,目前Neuralink已成功將腦機接口的電極數目增加了30倍,可以運送更多的大腦意念成為信號。但和人類大腦860億個腦細胞相比,這仍然是“小巫見大巫”。

如何獲得860億個神經元的信息,並將其從模擬信號,轉化為計算機可以理解的二進製信號,這是半導體芯片在腦機接口中,所扮演的一個重要角色——在Neuralink的計劃中,一枚4毫米見方的N1芯片在系統中起到了舉足輕重的作用,這枚芯片可以連接多達1024個電極采集數據。

半導體芯片作為數據時代的底層基礎設施,是算力的基礎,也是突破不同維度信息轉化的關鍵。IDG資本十幾年前開始在全球布局半導體領域,投資覆蓋IC設計、IC設備等細分領域。IDG資本被投企業“中微公司”剛剛成為科創板首批上市交易的公司之一,“晶晨股份”已在科創板過會並開啟申購。未來,IDG資本將持續在全球範圍內投資有潛力的半導體企業,利用IDG資本的專業性與資源幫助企業迅速成長,並結合並購搭建全球化的半導體企業。

另外一個問題則是:即使科學家能準確采集到大腦工作時發出的信息,如何解讀這些海量數據?

近年來,科學家在嘗試利用人工智能找出信號與行為之間的相關性。在上述今年4月發表的腦機接口合成語音實驗中,一個遞歸神經網絡(RNN)被用於神經信號的解碼。事實上,人工智能非常適合用於從海量信息中找到統計學上的規律。人工智能也是IDG資本重點看好的領域之一。

但大腦為什麽會被欺騙?人類為什麽會產生悲傷或喜悅的情緒?類似這樣的問題,還需要從腦科學研究中尋找答案。

“人類多年的發展並沒有解決大腦和宇宙這兩件事情”,這是盛大集團董事長陳天橋投資大腦科學的初衷。腦部是人類的神經中樞,是人類最重要的器官。但人類對大腦的認知,還只是冰山一角。

就在馬斯克成立Neuralink的那年年底,陳天橋及夫人向加州理工學院捐贈1.5億美元成立腦科學研究中心。

這項計劃將幫助科學家和研究人員深入大腦的研究,探索大腦基礎層面的運作機理,以及由於疾病和衰老而導致大腦運作失靈的原理。

而早在2000年,美國數據集團創始人麥戈文夫婦向美國麻省理工學院(MIT)捐款3.5億美元,成立了麥戈文人腦研究院。這個研究院致力於提高人類交流水準,專門研究人腦的工作機理及相關疾病,包括孤獨症、帕金森氏症、精神分裂症、語言障礙等。在IDG資本的建議與安排下,中國的三所IDG/麥戈文腦科學研究院(清華大學、北京大學、北京師范大學)先後成立。

世上有馬斯克式的先行者,也有埋頭基礎科學的奠基者。至少在商業化階段到來前夕,這仍是一片美妙的非零和博弈世界。

最後,想引用賽博朋克之父威廉·布吉森早在1984年的《神經漫遊者》中,就預言了大腦插入外接儲存條,意識將被接入電腦網絡等,也說到了身體延伸的最後的結果——人和機器的終極融合。

小說結尾,有一句經典的話:“無所在,無所不在。我就是一切的總和,是全部的全部。”

Reference:

[1] Tim Urban,Neuralink and the Brain’s Magical Future, WaitButWhy. (《Neuralink與大腦的神奇未來》,由ONES Piece翻譯計劃翻譯)

[2] 把科學帶回家, 《半機械人,就在你身邊》

[3] Hugh Herr,The new bionics that let us run, climb and dance, TED Talk

[4] Edward Chang, Speech synthesis from neuraldecoding of spoken sentences, Nature

[5] BioArt, 《腦機接口重大進展——深度學習解碼腦電波合成語音》

[6] Bin He,Noninvasive Electroencephalogram Based Control of a Robotic Arm for Reach and Grasp Tasks,Scientifc Reports

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