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现实版“阿凡达”即将实现?

  • 发布时间:2015-10-13 01:31:12  来源:科技日报  作者:佚名  责任编辑:罗伯特

  美国截瘫患者首次通过“脑控”行走、韩国科学家研发脑控外骨骼机器人、中国脑控智能联盟成立……近期,国内外多家科研机构在意念控制领域取得新进展,这不禁让人联想到曾风靡世界的科幻电影《阿凡达》。“意念控制”这类科幻世界中的常客,难道正一步步走入现实?它对未来战争将起到什么作用?请看科技日报特约专稿——

  “意念控制”是各种科幻小说、影视作品中常常出现的特殊能力,它可以令人类直接通过“意念”控制其它物体甚至生物。近年来,脑机接口技术(Brain-Computer Interface,BCI)的迅猛发展让这种超能力一步步变为现实。也许在未来某一天,人们真正能够亲身体验科幻电影《阿凡达》中的场景,通过意念控制另一个“躯体”进行战斗,真正形成“阿凡达军团”。可以预见,BCI技术不仅能为躯体受伤者提供帮助,更是会对未来战争带来一场深刻的变革。

  美军对BCI技术高度关切

  全球范围的BCI技术研究已开展多年,美军对此表示了高度关注,美国国防部高级研究计划局(DARPA)投入巨资,展开该领域的技术攻关。近年来,美国更是加强了对脑科学的研发力度。2013年4月2日,奥巴马政府公布了“推进创新神经技术脑研究计划”,旨在探索人类大脑的工作机制、绘制脑活动全图,并最终开发出针对大脑疾病的疗法。2014年9月,美国国防部宣布将投入3亿美元支持脑计划。DARPA的投资主要用于缓解或治愈因伤导致的神经精神疾病,其中,很大一部分是BCI技术的应用。近期,DARPA又公布了其新的研究计划,旨在从两个方向组织攻关。

  重建身体机能是否可能

  DARPA的第一大方向是恢复人的神经功能和行为功能,帮助肢体受伤的战士恢复身体机能。这主要包括四个方面的研究内容:

  一是革命性假肢,目的在于帮助失去上肢控制能力的伤员重建肢体运用的能力。为此,DARPA开展了“手部本体感受和触感界面”项目,旨在打造具有高度感觉反馈的、如天然手臂一样灵活的假肢系统,有效解决“本体感受”问题,让用户拥有切实的感受,使假肢真正成为人身体的一部分。 DARPA项目经理道格·韦伯称,该项目的关键之处,就在于将与截肢处相联系的外围神经与人体神经系统相接合,保持外围神经实现正常功能的同时,使用户通过相同的神经信号来控制和感知假肢。这种假肢外形将更加美观,并能像真实四肢一样对神经脉冲作出回应。

  该项目将帮助受伤服役军人和退伍军人实现自然功能的完整性,是奥巴马“脑计划”的一部分,其最终目标是创造出能够在日常生活中长期使用的安全可靠的设备。该项目也得到了美国国立卫生研究院、退伍军人事务部等机构的支持。DARPA正在与美国食品和药物管理局的科学家合作,为这类先进技术辅助开发验证安全性和评判量化的新标准,以更好地为受伤的在役军人和退役人员提供服务。凯斯西储大学、克利夫兰医学中心、Draper实验室、Nerves股份有限公司、Ripple有限责任公司、匹兹堡大学、犹他州大学和佛罗里达大学等相关研究机构参与了这个项目。

  二是加速创伤恢复的重组与可塑性,该项目将研制一种由电极或光纤组成的大脑植入体,将其植入大脑表面后,它们将读取大脑神经元的电信号,然后发送适当的光脉冲去刺激其他原本应该对神经元信号做出反应的大脑区域。这种植入体将作为那些被损伤或者被“截去”的大脑区域的替代物,使大脑能够正常运转。

  士兵在战场中极易遭受炸弹与火炮的袭击,猛烈的冲击会对士兵的大脑产生极大的影响,从而造成不同程度的创伤性脑损伤。据报道,仅参加伊拉克和阿富汗战争而遭受脑损伤的美军士兵就多达36万人,这些伤员轻者反映迟钝,重者失去记忆、神志不清,完全丧失社交能力。这一伤病成为美军亟待解决的重大问题,因此,美国国防部提出这个研究项目,计划利用新型大脑植入手段,用脑机接口技术来替代受损大脑灰质皮层的功能。DARPA对该项目给予了大力支持,宣布了一项为期两年的初步计划,资助斯坦福大学和布朗大学的4个研究所用于联合开发脑芯片项目。这一项目涉及神经学、精神病学、大脑模拟专业,甚至包括半导体专业,目前已在理解大脑损伤、建立大脑活动的概念化数学模型等方面取得了一定进展。

  三是恢复编码记忆集成神经装置,DARPA希望寻找到一种新方法对神经元信号进行分析解码,以掌握在脑损伤后如何刺激神经元、促进记忆编码的恢复、恢复个体形成新记忆和存储以前形成的记忆的能力。这种可长期植入的微型无线神经装置有望帮助头部受伤的士兵恢复对任务的记忆。

  四是可靠神经接口技术,该技术旨在对大脑中神经网络活动进行可视化和量化。利用该技术,人们可以在大范围内快速观测神经网络的活动,前所未有地深入了解大脑结构和功能。更重要的是,人们可以通过该技术进一步揭示神经网络和行为功能之间的关系,不仅能够更好地观察神经系统,还可以通过对刺激和反射回路进行精心调制,探索神经信号和大脑之间的因果关系。这对于研究人员了解治疗受伤人员的脑部伤病具有重大的促进作用。

  上述技术旨在恢复人体由于损伤而破坏的一些神经能力与行为能力,而DARPA对BCI关注的另一大方向则用于提高人类的能力,利用BCI技术对人脑和人体机能进行优化。

  增强战士的表现能力

  DARPA第二个大方向是增强人类的训练与表现能力,试图通过BCI技术手段缩短士兵技能训练周期,打造“超级战士”。具体内容可分为以下四个方面。

  一是加速学习计划。这一计划将提高士兵们的战场学习能力,DARPA希望通过有效的探测、追踪方法,加快士兵的技能习得能力。近日,DARPA又公布了一个为期两年的基础研究项目——“恢复活动记忆与回放”,旨在研究“神经回放”在形成记忆和回忆过程中的作用,从而帮助人脑更好地、更具体地记住偶发事件,更快地学会技能。

  二是叙述网络项目。该项目旨在对叙述内容及不同叙述方式对人类认知和行为的影响进行分析。该研究对于军事战场开展信息战、心理战具有特别的意义。一方面,可以通过叙述网络对敌方的情绪特点展开有针对性的宣传工作,用不同的宣传内容对敌人进行心理攻击。另一方面,也可以适当运用于心理劝导,比如让百姓接受援助,或者让恐怖分子放弃抵抗等等。

  三是用于情报分析员的神经技术。该技术能够在作战环境下通过记录并实时处理情报员的大脑信号,选择需要分析的图像。这种图像处理技术可以产生大范围的静态视觉图像。该计划凭借信号处理、人机界面、突破性的神经科学等方面的发展进步,将神经技术融入图像分析领域,显著提高识别关键信息的速度与准确性,为士兵提供战场辅助工具。传统的目标搜索是在电脑上的一整块现实区域中搜索目标,而在新技术条件下,大区域将被分割成多张较小的图像,并在信息员眼前快速切换,当含有目标信息的图像在眼前闪烁时,观察者的大脑将在300毫秒内发出信号,并由信息处理系统捕获进行下一步处理。在这个过程中,观察者本身甚至都没有意识到图像中包含着他要找寻的信息。DARPA将与美国国家地理空间情报局合作完成这一项目。美国加利福尼亚州千橡市的特勒达因技术公司,新泽西州莫里斯镇的霍尼韦尔国际公司,以及纽约的哥伦比亚大学与Neuromatters有限责任公司的联合团队设计了参与竞标的三个原型系统。

  四是认知技术威胁预警系统。该系统旨在通过发展单兵便携式视觉威胁探测设备,最大化地提升战士们的威胁检测和态势感知能力,可靠地探测到潜在的威胁和感兴趣的目标。人类具有能够感知到威胁的本能,在战场上,尽管雷达等探测设备快速发展,但仍无法避免信号盲区,许多时候战士们仍要依靠自身的眼力和感知力来判断周围环境。在双筒望远镜、摄像机和便携式雷达的帮助下,漏检率仍只有47%或更低。于是,科学家们便设想,将EEG检测系统与望远镜相连,实时检测大脑信号,通过相连的计算机进行数据分析,探测可能潜伏在远方的敌人。DARPA于2008年启动了该项目,并开发了一套包括高像素摄像机、可在计算机运行的认知视觉处理算法和EEG感知装置的技术装备,不仅将识别率提高到了91%,还将战士的视域扩展到120度。目前,DARPA已为美国陆军军官进行该技术的演示,也许在不久的将来就可以投入训练使用。美国HRL实验室、先进脑监控公司、量子应用科学与研究公司和加州圣迭戈大学等机构都参与了这项研究,技术成果已向美军陆军的夜视实验室进行转交。

  尽管这些BCI技术的研究计划大多数处于理论和实验室研究阶段,但任何一项技术的成功实现,都将对未来战争带来不小的冲击。在科技制胜的今天,我们也需要抓住发展机遇,抢占科技前沿,牢牢掌控技术“制脑权”,为打赢未来战争奠定基石。

  (作者单位:国防科技大学)

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