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生物战士走进现实,美军中度关切一技能

点击: 52 次  来源:http://www.010zws.com 时间:2020-02-02

核心提示: 近日,美国国防部高级研究计划署在2013年的预算报告中,披露了一项名为“阿凡达”的尖端军事科研项目,旨在打造一支通过远程控制人脑作战的“机器人军团”。消息一出,即引发全球关注。科幻电影《阿凡达》中的生物战士真要走进现实?美军有关脑控技术的研究进展如何?BCI技术将如何涂抹未来战神的面孔? 近日,美国国防部高级研究计划署在2013年的预算报告中,披露了一项名为“阿凡达”的尖端军事科研项目,旨在打造一支通过远程控制人脑作战的“机器人军团”。消息一出,即引发全球关注。科幻电影《阿凡达》中的生物战士真要走进现实?美军有关脑控技术的研究进展如何?BCI技术将如何涂抹未来战神的面孔?请看科技日报特约专稿——

  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——

2010年,科幻电影《阿凡达》在全球上映。影片中,受伤的退役军人杰克靠意念远程控制其替身在潘多拉星球作战。3DIMAX版的画面效果,想象瑰奇、气魄恢弘的《阿凡达》,在带给观众的一场视觉盛宴的同时,也将尖端科技主导的战争以科幻形式呈现在人们面前。如今,从美国国防部高级研究计划署的预算报告中,我们发现,原来影片中出现的用意念控制“战士”作战,已经不再只是幻想。这就是BCI,又被称作直接神经接口技术,一种可能改变未来战争面貌的“脑—机”接口技术。

  “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。

神秘的BCI究竟是什么

  美军对BCI技术高度关切

据了解,BCI技术有单双通道之分,单通道BCI技术只能在同一时刻用电脑接受大脑指令或向大脑发送指令,而双通道BCI技术则能在大脑和电脑之间同时建立起信息交互链路。目前,世界各国研发机构公开的成果,主要集中在单通道BCI技术领域,该技术通过直接采集来自大脑的神经生物学信号,并将其转换为输出指令,而不依赖正常的外围神经中枢和肌肉组织输出通道来实现指令传送。

  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。

追溯历史,我们发现BCI技术并不久远。1973年,美国科学家维达尔首次产生了BCI技术的概念萌芽,时隔4年后,其将BCI技术初步定义为:一种能反映大脑功能内在机理微观信息的计算机系统技术。与此同时,维达尔还以视觉刺激产生的视觉诱发电位作控制信号,建立了一个操作者通过控制光标成功穿越二维迷宫的BCI技术系统。1988年,科学家法威尔和杜切尔利用P300事件相关电位实现了用大脑直接控制虚拟打字机的操作。1999年,第一次BCI国际会议给出了BCI的明确定义,即“脑—机”接口技术是一种不依赖于通常由外围神经和肌肉组成的传输通路的通讯系统技术。

  重建身体机能是否可能

BCI技术的内在原理是,当一个人的大脑在进行思维活动、产生意识或受到外界刺激时,伴随其神经系统运行的还有一系列电活动,这些脑电信号可以通过特定的技术手段加以检测,然后再通过信号处理(特征提取、功能分类等),从中辨别出当事人的真实意图,并将其思维活动转换为指令信号,以实现对外部物理设备的有效控制。基于该原理,BCI技术系统像任何通讯及控制系统一样,由输入(如使用者的EEG信号)、输出(如控制外部设备的指令)、信号处理和转换等功能环节组成。

  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:

BCI技术系统的关键技术包括大脑神经生物信号采集技术、大脑神经生物信号处理技术及人机高效交互技术。一般BCI技术常用的输入信号是来自头皮或脑表面记录的EEG,以及大脑内记录的神经元电活动。信号处理环节就是通过对源信号进行适当的处理分析,把连续的模拟信号转换成用某些特征参数(如幅值、自回归模型的系数等)表示的数字信号,然后将提取到的上述特征参数利用分类器进行功能分类,从而产生操作驱动指令,通过物理传输装置实现与外界的有效交流。

  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。

“技术制胜”是美国军事战略思维的重要特征之一,不难理解,BCI技术的相关突破早已进入美国军方的视野。

  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。

美BCI研究已经非常深入

  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。

美国国防部前副部长、军控和裁军总署前主任弗莱德·查尔斯·伊克莱,在其名为《国家的自我毁灭》一书中,对BCI技术的军事应用前景给予了高度关注。他写道:“目前已有数百个试图将人脑同计算机相结合的独立研究计划。一开始,这些研究得到的资助很少,有些只是玩玩概念游戏而已。但近期对人脑与电脑相结合的研究项目BCI技术得到了重视,在美国和欧洲的大学里,这类项目的数量成倍地增长。”他进一步指出,“我们必须对人脑研究的发展进程加以关注。神经科学对人脑的功能——即智力、意志、情感和神秘的‘意识’功能——日益加深理解。在一些无需进入人体的新探测技术的帮助下,科研人员可以观察人脑的思维功能。新的探测仪器包括功能磁场声波成像仪,穿头盖骨磁震荡仪以及阳电子释放体层摄影仪等。这些仪器已经能够提供人脑在从事特定活动时有价值的数据。近来,科学家已成功地使用纳米感应器和荧光成像仪来观察个别脑细胞的化学变化。”

  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。

与伊克莱的关注相呼应,目前,在美国DARPA的军事科研项目中,也提到“该项目旨在利用脑机接口技术探索扩展人类机能,利用获取的神经代码进行整合和控制入侵式设备和系统。项目跨越多学科迎战科技新挑战,它将要求集合各学科的人员来完成通过大脑活动进行人类互动并直接控制机器的目标。”

  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。

此外,据我国军事学者王蔚的研究,美国国防部近年来还执行了以下一些相关项目:制造在视频信号中叠加视觉潜意识指令材料的设备;神经系统的潜意识声音操纵,与共振频率调谐的潜意识声音脉冲,能够激发人类的感觉共鸣;潜意识信息保护;无声潜意识交流系统,运用超低、超高或近超生波等非声音载体,将希望传送的信息用调幅或是调频的方式调制,用声波或是振动的方式播送,特别是通过喇叭、耳机、压电设备等送达对方大脑,引导其产生预期行为;向人的头部发射特殊波形调制的100兆赫兹到10000兆赫兹的微波,在其头部产生声音。

  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。

除了上述研究项目外,DARPA还借助军地双方技术力量,研究超物理学、纳米技术、机器人、生物技术、无性繁殖及人体冷冻学等学科对人大脑的影响。值得我们关注的包括以下研究项目:脑听器,可以将声音转化为能够沿着皮肤传入大脑的电子脉冲;心灵及生理影响系统;无线电催眠发生器;旨在研究控制动物大脑的关键技术及相应的脑定位的“MKULTRA”项目,该报告称其“对几种动物行为进行远程控制的可行性已经得到验证。”

  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。

涂抹未来战神的面孔

  增强战士的表现能力

读脑术一直是科幻作品关注的焦点。在别利亚耶夫的《大独裁者》里,主人公施奈德发明了无线脑波控制装置,从最初的抢劫银行,到后来与世界各国军队较量,施奈德一次次打败了敌人。1939年,中国科幻作家顾均正也创作了同样题材的《和平之梦》。在小说中,一个深入美国的“极东国”间谍尝试用无线电干扰美国民众的政治态度。此外,在中国科幻作家王晓达的小说《波》中,战斗也是以电波使对方飞行员大脑产生幻觉的方式获胜的。

  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。

从科技进步与战争演进的历史来看,曾经出现在科幻作家笔下的军事技术在日后皆引发了军事领域的变革。在一些人看来,留有科幻色彩的BCI技术距离走上战场还十分遥远。然而,从DARPA对相关科技的资助来看,制脑权战争何尝不是未来军事变革的一个趋势?

  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。

对于DARPA正在努力攻关的军事科研项目,2007年,美国军事学者乔纳森·莫雷诺出版了一部名为《制脑权战争:脑科技研发与国家安全》的著作,该书全面介绍了美军旨在打造未来“精英战士”的计划与前景。

  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。

其中,美国空军正在积极研究如何利用脑电及肌体协同控制以提高战斗机飞行员的快速反应能力,其实施的ACT(替代控制技术,Alternative Control Technology)计划中就包含了BCI技术的研究。此外,BCI技术还能增强军事训练的实战性和对抗性,提高模拟训练的效果,尤其能较好地解决军事训练中的反馈和过程回放问题,给军事训练的评估和方案的制定提供依据。当然,大多数BCI技术系统仍然处于实验室研究阶段,距离真正走上战场还有诸多难题。但我们相信,随着计算机科学、神经生物学等学科的不断发展与交叉融合,BCI技术必将日趋成熟。

  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。

DARPA作为一座架设在基础研究与军事应用之间的桥梁,其本身就是一个带有神秘色彩的特殊部门,其职能在于,永远驻守在军事科技创新的前沿阵地,竭力张开想象的翅膀,将自己的触角伸向遥远的未来,通过原始概念创新,引领武器装备发展,以避免他国“技术突袭”,确保美国“技术优势”。

  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。

可以预计,根据军事技术先行发展的规律,BCI技术一旦取得重大突破,将会首先被运用于战争领域,并将取得出乎意料的效果。(作者曾华锋 石海明 刘昱东 单位:国防科技大学)

  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。