人脑思维对机器人的直接控制：脑机接口的前景与弊端

图片来源：视觉中国

英国著名物理学家斯蒂芬·霍金的去世让全球人民悲痛不已，我们在缅怀巨星的同时，也可能还在疑惑，全身不能动的霍金这位科学巨人是怎么与世界对话？在微博视频中，霍金借助于轮椅上的设备回答了TFBOYS成员王俊凯的问题，这台轮椅早已成为这名科学巨人的一部分。那这台轮椅是怎么实现让无法行动和说话的霍金和人类交流的呢？

脑机接口研究进展到什么程度？

其实了解这个轮椅的大概知道背后正是脑机接口在赋能，那到底什么是脑机接口，目前发展得怎么样，今日智能相对论（微信ID：aixdlun）就稍作总结。

1、三次轮椅升级代表脑机接口的进步和飞跃。

实际上，霍金的轮椅进行过三次轮升级，这也就代表科技的三次进步和飞跃。

1985年，因患肺炎而做气管切开手术后，霍金被彻底剥夺了说话的能力。当时，美国加利福尼亚州一位名叫瓦特·沃尔托兹的电脑工程师为霍金设计了一个名为“平等器”的电脑程序。而后，剑桥调节通讯公司的大卫·梅森又改进了这套设备，每分钟可“说”出15个词，还可以把文字直接打印出来。

2005年之后，霍金彻底丧失了运动能力——连手指都不能活动了。英特尔的创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）为他设计了2.0版的轮椅。霍金说话时面部肌肉的收缩和舒张来激活辅助系统，并用眼球控制红外线发射器，选定在屏幕中轮流出现的英文字母。

到了2011年，他的病情进一步恶化，英特尔首席技术官贾斯汀·拉特纳（Justin Rattner）组建了一个人机交流技术团队，对霍金的设备进行了改造升级，研发了一个可供所有残障人士使用的交互系统工具包（辅助情境感知工具包，简称ACAT）。霍金轮椅可谓升级到2.1版。升级后的软件集成了SwiftKey人工智能预测技术。

不过，大家都知道，2.1版的霍金轮椅在某一天会因为主人病情的不幸加重而无法使用，因此，人机交流专家已经开始设计3.0版智能轮椅，所有重度残障人都可能受益于此。

另外，美国航天总署艾姆斯研究中心研发了一项技术，不仅可以让残障人自主控制电动轮椅，而且能够将思想（想说的话）传送到语音合成器，让后者“说话”。

同样，使用者想说什么话，也可以通过软件探测到，并向语音合成器传输指令，让后者替使用者“发声”。这对世人来说绝对是个好消息。

2、目前的现状：大公司小团队整整齐齐向里冲。

神奇的人类大脑蕴含着巨大的复杂性与丰富的未解之谜。读懂“三磅宇宙”、打通大脑与机器之间的联结、实现人工智能与人类大脑之间的交互，成为各国科学家研究的热点。期间诸多巨头和全球顶级科研机构都参与了进来。

埃隆·马斯克（Elon Musk）日前创立了一家名为“Neuralink”的新公司，专门“研发将人脑与计算机相连的超高带宽脑机接口技术”。他们正在研发“全脑接口”（whole brain interface），即一连串与大脑相连的微型电极，可让我们与世界进行无线交流。利用该技术，我们无需动笔或张口，就能分享自己的喜怒哀乐。

美国波士顿大学和麻省理工学院联合已研发出全新的反馈系统，可使机器人适应人类思维模式，实现人脑对机器人的实时直接控制。

目前神经学界也正在进行一个叫做「人类连接组计划」（Human Connectome Project）的计划。科学家们希望通过这个计划建立一张完整的人类大脑图谱。人类之前从来没有涉足过这种规模的大脑图谱。这个计划需要把人脑切成难以置信的薄片——厚度大约为 30 纳米，相当于 1/33000 毫米。（这张图片是一台机器正在一个鼠脑上切片）。

 2016年10月21日,由中国自主研发的在轨脑-机交互系统在天宫二号上成功实现了人类首次太空脑-机交互实验。该系统的建立和成功测试为未来深入开展先进交互技术在轨适应性研究和技术应用起到了重要推动作用。

大家如此积极参与的目的只有一个，那就是通过机器帮助与那些需要帮助的人，和同霍金一样，可以重新和世界进行沟通。

3、最大的难点：如何从大脑中输出正确的信息以及将正确的信息输入到大脑？

你在看这句话时，你的眼睛正在做出一系列特定的水平动作。这是大脑神经元将信息输出到一台机器（你的双眼），机器接收命令并作出响应。

当你的双眼以正确的方式移动时，屏幕发射的光子会进入你的视网膜，刺激皮质枕叶中的神经元，让这些文字的图像进入你的思维。过程中，输入及输出信息是大脑神经元的工作，脑机接口想做的就是介入到这个过程当中。

美国波士顿大学和麻省理工学院联合研发出的名为“Baxter”的人形机器人作为被控制端，在操纵者的注视下执行二元分类任务，机器人通过脑电图扫描仪实时监测操纵者大脑电位的变化，利用机器学习算法快速准确分析脑电波信号。这看起来是一个积极的尝试。

不过问题还没有彻底解决，比如如何将正确的信息输入到大脑？也就是如何刺激神经元。大脑的各个部位都让我们难以理解，运动皮质已经是其中最容易理解的一个部位。运动皮质是大脑负责输出的主要区域之一。

一个人做出的任何动作基本上都是由运动皮质直接操控的。运动皮质和手之间是通过神经传递信息的，而脑机接口则是运动皮质和计算机之间传递信息的介质，这种方式需要把一块含有 100 个电极的多电极阵列植入患者的运动皮质。这依然是个问题。

脑机接口是大有可为还是大有可“畏”

Neuralink公司正在研发“全脑接口”（whole brain interface），是完整无缝、生物兼容、功能强大，使用者将感觉它就是自己大脑皮层、边缘和中枢神经系统的一部分。通过全脑接口，使用者可与云端、计算机、以及其它安装了类似接口的使用者大脑无线对接。信息可在你的大脑与外界之间自由流动，就像你目前思考问题一样轻松。

听上去很惊人是不是？这实际上是给他们带来的应用场景的思考，目前来看，脑机接口最可能先被落地的是两块。

1、成为医疗体系中的“潮流”而不是 “噱头”。

“在医疗体系中，脑机接口”的作用是用思想来控制不能运动的四肢。

美国大学生伯克·哈特5年前因潜水意外导致颈椎脊髓受损，四肢永久瘫痪。从2014年起，俄亥俄州神经中心的研究人员就开始设计一个植入伯克哈特大脑的芯片来让其思想控制运动。这个植入脑部的芯片名为“神经生命”，它通过连接器与电脑相连。

电脑使用特殊软件来解读大脑传来的信号后，发送指令给镶有130个电极的电子手袖套，以刺激手部肌肉，让伯克·哈特得以绕过脊髓，控制手部活动。经过一年多的练习，现在伯克·哈特已经可以用思维控制右手，完成拿起杯子、刷信用卡等动作。

其实在医疗领域，“脑机接口”还可能有更多应用场景，如帮助残疾人士回复语言功能、行动功能等，但前提是必须在脑袋里植入科技，任何人工智能技术都只能是人脑和人手的延伸，是帮助患者的工具，并不是人的意识是可能脱离肉体，保存到一种设备里的，使人的大脑变成冷冰冰一台电脑来工作。

2、让“机械战甲”无处不在

人是世界上最精密、复杂、敏感的生命体，不同的个体有不同的表现特征。如果 100 个神经元可以确定光标在屏幕上移动的位置，那它们能不能发出拿起一杯咖啡并喝一口的指令呢？据资料显示，一位四肢瘫痪的女士能够在飞行模拟器中驾驶一架 F-35 战斗机。

既然这种方法可以读取手臂的动作，身体的其他部位也可以读取吗？巴西的脑机接口先驱米格尔·尼古莱利斯(Miguel Nicolelis)和他的团队打造出了一副完整的外骨骼，让一位瘫痪少年为巴西世界杯开出第一脚球。是不是觉得骇人听闻？其实依靠“脑机接口”，类似的“机械战甲”可能会到处见。

也就是说在智能化的社会里，这些技术的人造物，比如生物芯片，不只是具有医疗的作用，还可以具备强化人体功能的作用。看起来这是件充满想象的事。

脑机接口的爆发之路非常遥远，还得上下求索

 不过，问题也来了，随着医疗技术的发展，也许有一天内置于我们体内的机器能修复任何需要修复的器官或组织，而不会影响人的生命或身份。但是，如果这些机器人是受外部控制的，就必然会带来许多问题。当技术发展到人的主要器官可以被替换时，那么，人仍然是人吗？

另外，虽然人类对人脑的认知比以前深入了很多，但依然有很多不明之处。智能相对论（微信ID：aixdlun）认为，要让脑机接口应用到更大发分为，这也许是人类有史以来最艰巨的一项挑战。

1、机器学习算法快速准确分析脑电波信号操作过程的复杂性。

脑机接口（BCI）能实现重度残疾人对轮椅、机器人手臂以及电脑等设备的控制。虽然在提高这些设备的准确度与精密度方面已经取得了很大的进步，但是为了使用户熟悉这些技术，需要长时间的繁琐训练。必须让计算机学会理解每个用户独特的脑电活动模式，从而对脑电活动进行编码，实现用户想要执行的动作。

该技术的潜在问题也同样不容忽视，机器学习算法快速准确分析脑电波信号操作过程的复杂性能确保它的正确率吗？

霍金已经尝试过这种人（脑）-机界面，但他感到并不适应。原因有两个：其一，从使用面颊肌肉到通过喉部肌肉收缩来操控，有一个需要重新学习的过程，霍金还没有适应这种新的技能。其二，按照目前的技术，电极摆放的位置如果稍有偏移，辨识的准确率就会从94％下降到50％以下。

有时候，电极解读并发送到语音合成器“说”出来的话，并非霍金的本意。所以霍金的轮椅目前并没有正式使用这一系统。

2、侵入性手术的影响范围有多大？

脑机接口将来很可能帮助提高人类的智力、记忆力和交流能力。虽然这项技术在实践中的前景十分诱人，但实际上，一想到将芯片植入人类大脑，就足以让最人犹豫起来。

神经元也不是独立工作的，由于大量轴突和树突的存在，要单独刺激某个神经元是很困难的——因为当你尝试这么做的时候，你会一下子打乱很多东西。把芯片植入大脑语言中枢，就可以在大脑想说什么话的时候通过人机指令让外部的语音合成器说出来。这需要向病人的大脑语言中枢植入芯片。如果想用思想控制运动，也得向大脑运动中枢植入芯片。

另外很重要的一点是，与心脏起搏器这样的移植物不同，它是一种出于非医疗目的、在健康人群身上开展的选择性手术。在生物层面上与互联网相连，与我们相连的对象、方式、地点、原因和时间才是问题的关键所在。

人随时随地受人类生物学因素、社会与物质环境因素、心理行为因素等。如通过AI技术获得的有效性证据是99％，那对于那1％的患者来说却是100％的痛苦和不幸。

3、价格的高昂，导致想说爱你不容易。

显然，霍金使用的设备价格可能是普通残障者所可望而不可即的。由于霍金的轮椅都是科技公司友情赞助的，并不需要他自己掏腰包，因此，还没有人能够给定一个“官方价格”。据粗略估算，买一台目前版本的大概得花95万～100万美元。如果将来真的升级到3.0版，恐怕价钱更会高出许多。

4、相关监管措施能保障“AI读心术以后”的安全吗？

在科技时代，无时无刻都面临着信息泄露的危险，当脑袋里面植入科技软件来控制你的意识活动和行为活动，你的个人信息是否还有保障？未来该技术得到高度普及，是不是所有人在出生时都被强制植入全脑接口、以打击犯罪或不道德行为呢？

即便出现相对应的法律规定，这法律是否能真正保护你的大脑呢？问题的答案涉及法律、哲学、科技和社会学等众多领域，而这一问题本身还未引起人们足够的重视。

霍金曾经担心，人工智能会威胁人类的生存，因为超级智能计算机可能不会认同人类的目标，转而攻击创造它们的人类。马斯克也说：“马可·奥勒留（罗马帝国贤君）当国王挺好的，但如果国王是卡利古拉（罗马帝国早期的典型暴君）情况就不太乐观了。”

总之，笔者认为，像霍金一样实现人脑思维对机器人的直接控制，脑机接口爆发还有一段路要走。但这并无妨碍我们去憧憬它。

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