人腦思維對機器人的直接控制：腦機介面的前景與弊端

圖片來源：視覺中國

英國著名物理學家斯蒂芬·霍金的去世讓全球人民悲痛不已，我們在緬懷巨星的同時，也可能還在疑惑，全身不能動的霍金這位科學巨人是怎麼與世界對話？在微博視頻中，霍金藉助於輪椅上的設備回答了TFBOYS成員王俊凱的問題，這台輪椅早已成為這名科學巨人的一部分。那這台輪椅是怎麼實現讓無法行動和說話的霍金和人類交流的呢？

腦機介面研究進展到什麼程度？

其實了解這個輪椅的大概知道背後正是腦機介面在賦能，那到底什麼是腦機介面，目前發展得怎麼樣，今日智能相對論（微信ID：aixdlun）就稍作總結。

1、三次輪椅升級代表腦機介面的進步和飛躍。

實際上，霍金的輪椅進行過三次輪升級，這也就代表科技的三次進步和飛躍。

1985年，因患肺炎而做氣管切開手術後，霍金被徹底剝奪了說話的能力。當時，美國加利福尼亞州一位名叫瓦特·沃爾托茲的電腦工程師為霍金設計了一個名為「平等器」的電腦程序。而後，劍橋調節通訊公司的大衛·梅森又改進了這套設備，每分鐘可「說」出15個詞，還可以把文字直接列印出來。

2005年之後，霍金徹底喪失了運動能力——連手指都不能活動了。英特爾的創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）為他設計了2.0版的輪椅。霍金說話時面部肌肉的收縮和舒張來激活輔助系統，並用眼球控制紅外線發射器，選定在屏幕中輪流出現的英文字母。

到了2011年，他的病情進一步惡化，英特爾首席技術官賈斯汀·拉特納（Justin Rattner）組建了一個人機交流技術團隊，對霍金的設備進行了改造升級，研發了一個可供所有殘障人士使用的交互系統工具包（輔助情境感知工具包，簡稱ACAT）。霍金輪椅可謂升級到2.1版。升級後的軟體集成了SwiftKey人工智慧預測技術。

不過，大家都知道，2.1版的霍金輪椅在某一天會因為主人病情的不幸加重而無法使用，因此，人機交流專家已經開始設計3.0版智能輪椅，所有重度殘障人都可能受益於此。

另外，美國航天總署艾姆斯研究中心研發了一項技術，不僅可以讓殘障人自主控制電動輪椅，而且能夠將思想（想說的話）傳送到語音合成器，讓後者「說話」。

同樣，使用者想說什麼話，也可以通過軟體探測到，並向語音合成器傳輸指令，讓後者替使用者「發聲」。這對世人來說絕對是個好消息。

2、目前的現狀：大公司小團隊整整齊齊向里沖。

神奇的人類大腦蘊含著巨大的複雜性與豐富的未解之謎。讀懂「三磅宇宙」、打通大腦與機器之間的聯結、實現人工智慧與人類大腦之間的交互，成為各國科學家研究的熱點。期間諸多巨頭和全球頂級科研機構都參與了進來。

埃隆·馬斯克（Elon Musk）日前創立了一家名為「Neuralink」的新公司，專門「研發將人腦與計算機相連的超高帶寬腦機介面技術」。他們正在研發「全腦介面」（whole brain interface），即一連串與大腦相連的微型電極，可讓我們與世界進行無線交流。利用該技術，我們無需動筆或張口，就能分享自己的喜怒哀樂。

美國波士頓大學和麻省理工學院聯合已研發出全新的反饋系統，可使機器人適應人類思維模式，實現人腦對機器人的實時直接控制。

目前神經學界也正在進行一個叫做「人類連接組計劃」（Human Connectome Project）的計劃。科學家們希望通過這個計劃建立一張完整的人類大腦圖譜。人類之前從來沒有涉足過這種規模的大腦圖譜。這個計劃需要把人腦切成難以置信的薄片——厚度大約為 30 納米，相當於 1/33000 毫米。（這張圖片是一台機器正在一個鼠腦上切片）。

2016年10月21日,由中國自主研發的在軌腦-機交互系統在天宮二號上成功實現了人類首次太空腦-機交互實驗。該系統的建立和成功測試為未來深入開展先進交互技術在軌適應性研究和技術應用起到了重要推動作用。

大家如此積极參与的目的只有一個，那就是通過機器幫助與那些需要幫助的人，和同霍金一樣，可以重新和世界進行溝通。

3、最大的難點：如何從大腦中輸出正確的信息以及將正確的信息輸入到大腦？

你在看這句話時，你的眼睛正在做出一系列特定的水平動作。這是大腦神經元將信息輸出到一台機器（你的雙眼），機器接收命令並作出響應。

當你的雙眼以正確的方式移動時，屏幕發射的光子會進入你的視網膜，刺激皮質枕葉中的神經元，讓這些文字的圖像進入你的思維。過程中，輸入及輸出信息是大腦神經元的工作，腦機介面想做的就是介入到這個過程當中。

美國波士頓大學和麻省理工學院聯合研發出的名為「Baxter」的人形機器人作為被控制端，在操縱者的注視下執行二元分類任務，機器人通過腦電圖掃描儀實時監測操縱者大腦電位的變化，利用機器學習演算法快速準確分析腦電波信號。這看起來是一個積極的嘗試。

不過問題還沒有徹底解決，比如如何將正確的信息輸入到大腦？也就是如何刺激神經元。大腦的各個部位都讓我們難以理解，運動皮質已經是其中最容易理解的一個部位。運動皮質是大腦負責輸出的主要區域之一。

一個人做出的任何動作基本上都是由運動皮質直接操控的。運動皮質和手之間是通過神經傳遞信息的，而腦機介面則是運動皮質和計算機之間傳遞信息的介質，這種方式需要把一塊含有 100 個電極的多電極陣列植入患者的運動皮質。這依然是個問題。

腦機介面是大有可為還是大有可「畏」

Neuralink公司正在研發「全腦介面」（whole brain interface），是完整無縫、生物兼容、功能強大，使用者將感覺它就是自己大腦皮層、邊緣和中樞神經系統的一部分。通過全腦介面，使用者可與雲端、計算機、以及其它安裝了類似介面的使用者大腦無線對接。信息可在你的大腦與外界之間自由流動，就像你目前思考問題一樣輕鬆。

聽上去很驚人是不是？這實際上是給他們帶來的應用場景的思考，目前來看，腦機介面最可能先被落地的是兩塊。

1、成為醫療體系中的「潮流」而不是 「噱頭」。

「在醫療體系中，腦機介面」的作用是用思想來控制不能運動的四肢。

美國大學生伯克·哈特5年前因潛水意外導致頸椎脊髓受損，四肢永久癱瘓。從2014年起，俄亥俄州神經中心的研究人員就開始設計一個植入伯克哈特大腦的晶元來讓其思想控制運動。這個植入腦部的晶元名為「神經生命」，它通過連接器與電腦相連。

電腦使用特殊軟體來解讀大腦傳來的信號後，發送指令給鑲有130個電極的電子手袖套，以刺激手部肌肉，讓伯克·哈特得以繞過脊髓，控制手部活動。經過一年多的練習，現在伯克·哈特已經可以用思維控制右手，完成拿起杯子、刷信用卡等動作。

其實在醫療領域，「腦機介面」還可能有更多應用場景，如幫助殘疾人士回復語言功能、行動功能等，但前提是必須在腦袋裡植入科技，任何人工智慧技術都只能是人腦和人手的延伸，是幫助患者的工具，並不是人的意識是可能脫離肉體，保存到一種設備里的，使人的大腦變成冷冰冰一台電腦來工作。

2、讓「機械戰甲」無處不在

人是世界上最精密、複雜、敏感的生命體，不同的個體有不同的表現特徵。如果 100 個神經元可以確定游標在屏幕上移動的位置，那它們能不能發出拿起一杯咖啡並喝一口的指令呢？據資料顯示，一位四肢癱瘓的女士能夠在飛行模擬器中駕駛一架 F-35 戰鬥機。

既然這種方法可以讀取手臂的動作，身體的其他部位也可以讀取嗎？巴西的腦機介面先驅米格爾·尼古萊利斯(Miguel Nicolelis)和他的團隊打造出了一副完整的外骨骼，讓一位癱瘓少年為巴西世界盃開出第一腳球。是不是覺得駭人聽聞？其實依靠「腦機介面」，類似的「機械戰甲」可能會到處見。

也就是說在智能化的社會裡，這些技術的人造物，比如生物晶元，不只是具有醫療的作用，還可以具備強化人體功能的作用。看起來這是件充滿想像的事。

腦機介面的爆發之路非常遙遠，還得上下求索

不過，問題也來了，隨著醫療技術的發展，也許有一天內置於我們體內的機器能修復任何需要修復的器官或組織，而不會影響人的生命或身份。但是，如果這些機器人是受外部控制的，就必然會帶來許多問題。當技術發展到人的主要器官可以被替換時，那麼，人仍然是人嗎？

另外，雖然人類對人腦的認知比以前深入了很多，但依然有很多不明之處。智能相對論（微信ID：aixdlun）認為，要讓腦機介面應用到更大發分為，這也許是人類有史以來最艱巨的一項挑戰。

1、機器學習演算法快速準確分析腦電波信號操作過程的複雜性。

腦機介面（BCI）能實現重度殘疾人對輪椅、機器人手臂以及電腦等設備的控制。雖然在提高這些設備的準確度與精密度方面已經取得了很大的進步，但是為了使用戶熟悉這些技術，需要長時間的繁瑣訓練。必須讓計算機學會理解每個用戶獨特的腦電活動模式，從而對腦電活動進行編碼，實現用戶想要執行的動作。

該技術的潛在問題也同樣不容忽視，機器學習演算法快速準確分析腦電波信號操作過程的複雜性能確保它的正確率嗎？

霍金已經嘗試過這種人（腦）-機界面，但他感到並不適應。原因有兩個：其一，從使用面頰肌肉到通過喉部肌肉收縮來操控，有一個需要重新學習的過程，霍金還沒有適應這種新的技能。其二，按照目前的技術，電極擺放的位置如果稍有偏移，辨識的準確率就會從94％下降到50％以下。

有時候，電極解讀並發送到語音合成器「說」出來的話，並非霍金的本意。所以霍金的輪椅目前並沒有正式使用這一系統。

2、侵入性手術的影響範圍有多大？

腦機介面將來很可能幫助提高人類的智力、記憶力和交流能力。雖然這項技術在實踐中的前景十分誘人，但實際上，一想到將晶元植入人類大腦，就足以讓最人猶豫起來。

神經元也不是獨立工作的，由於大量軸突和樹突的存在，要單獨刺激某個神經元是很困難的——因為當你嘗試這麼做的時候，你會一下子打亂很多東西。把晶元植入大腦語言中樞，就可以在大腦想說什麼話的時候通過人機指令讓外部的語音合成器說出來。這需要向病人的大腦語言中樞植入晶元。如果想用思想控制運動，也得向大腦運動中樞植入晶元。

另外很重要的一點是，與心臟起搏器這樣的移植物不同，它是一種出於非醫療目的、在健康人群身上開展的選擇性手術。在生物層面上與互聯網相連，與我們相連的對象、方式、地點、原因和時間才是問題的關鍵所在。

人隨時隨地受人類生物學因素、社會與物質環境因素、心理行為因素等。如通過AI技術獲得的有效性證據是99％，那對於那1％的患者來說卻是100％的痛苦和不幸。

3、價格的高昂，導致想說愛你不容易。

顯然，霍金使用的設備價格可能是普通殘障者所可望而不可即的。由於霍金的輪椅都是科技公司友情贊助的，並不需要他自己掏腰包，因此，還沒有人能夠給定一個「官方價格」。據粗略估算，買一台目前版本的大概得花95萬～100萬美元。如果將來真的升級到3.0版，恐怕價錢更會高出許多。

4、相關監管措施能保障「AI讀心術以後」的安全嗎？

在科技時代，無時無刻都面臨著信息泄露的危險，當腦袋裡面植入科技軟體來控制你的意識活動和行為活動，你的個人信息是否還有保障？未來該技術得到高度普及，是不是所有人在出生時都被強制植入全腦介面、以打擊犯罪或不道德行為呢？

即便出現相對應的法律規定，這法律是否能真正保護你的大腦呢？問題的答案涉及法律、哲學、科技和社會學等眾多領域，而這一問題本身還未引起人們足夠的重視。

霍金曾經擔心，人工智慧會威脅人類的生存，因為超級智能計算機可能不會認同人類的目標，轉而攻擊創造它們的人類。馬斯克也說：「馬可·奧勒留（羅馬帝國賢君）當國王挺好的，但如果國王是卡利古拉（羅馬帝國早期的典型暴君）情況就不太樂觀了。」

總之，筆者認為，像霍金一樣實現人腦思維對機器人的直接控制，腦機介面爆發還有一段路要走。但這並無妨礙我們去憧憬它。

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