脑机接口技术取得重要进展

计划局（DARPA）在其预算报告中，披露了一项名为“阿凡达”的尖端军事科研项目。所谓“阿凡达”研究项目，主要就是“脑机接口”研究领域，这一领域也正迅速成为全球科学家最热门的研究对象。由于极具想象力的“意念控制”主题，也让普通人都备感新奇而产生兴趣。

“脑机接口”技术：一项神奇的颠覆性技术

追溯历史，“脑机接口”技术产生并不久远。1973年，美国科学家维达尔首次产生了“脑机接口”技术的概念萌芽。时隔4 年后，其将“脑机接口”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“脑机接口”技术系统。1988年，科学家法威尔和杜切尔实现了用大脑直接控制虚拟打字机的操作。1999年，第一次“脑机接口”国际会议给出了明确定义，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。

“脑机接口”技术是脑科学研究中的—个分支，通过信号采集设备从大脑皮层采集脑电信号，经过放大、滤波、模数转换等处理转化为可以被计算机识别的信号，然后对信号进行预处理，提取特征信号，再利用这些特征进行模式识别，最后转化为控制外部设备的具体指令。外部设备也可以是一个智能机器人，通过人的意念主导其活动，就成了“阿凡达”。意念控制，其实可以看成是外部设备（无论是机器还是机器人）读懂大脑神经信号并且执行指令的过程。

“脑机接口”技术的原理是，当一个人的大脑在进行思维活动、产生意识（如动作意识）或受到外界刺激（如视觉、听觉等）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，“脑机接口”技术系统像任何通讯及控制系统一样，由输入（如使用者的脑电信号）、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。

“脑机接口”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“脑机接口”技术常用的输入信号是来自头皮或脑表面记录的脑电信号，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。

对武器装备发展具有巨大的潜在价值

“脑机接口”技术对武器装备发展具有巨大的潜在价值，人类可以通过大脑直接控制外界物体或设备，减少或替代人的肢体操作活动，从而提高作战人员操控武器装备的灵活性和敏捷性。“脑机接口”技术可以实现人脑对武器装备的直接控制，赋予武器装备“随心所动”的智能化特征，对于推动未来武器装备的智能化发展具有重要意义。此外，该技术还能提高士兵在战场上的态势感知与目标探测能力，通过接收脑电波直接反映战场态势与威胁，使传感器、射手之间的反应时间降到最低。“脑机接口”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，为军事训练的评估和方案制定提供依据。当然，目前大多数“脑机接口”技术仍然处于试验研究阶段，真正走上战场仍面临诸多难题。

美国军方从21世纪初就已经开始探讨“脑机接口”技术的具体军事应用方式，并密切注视其潜在对手在此方面的研究进展，同时对如何通过电信号控制生物大脑完成指令任务进行了专门研究，启动的相关研究工作包括：在视频信号中叠加视觉脑电波指令的方法、神经系统脑电波声音操纵项目、无声潜意识交流系统、听觉系统项目等。

2004年，DARPA投入2400万美元资助美国杜克大学神经工程中心等6个实验室进行了“思维控制机器人”的研究工作，还联合商业研发机构和地方政府开展了脑听器、心灵及生理响应系统、无线电催眠发生器、MKULTRA项目等多项“脑机接口”技术新概念产品的研发工作。DARPA的“认知技术威胁预警”项目，已经获得了初步科研成果，使士兵能够在2～3秒内识别视场范围内100个威胁目标。2008年，位于北卡罗来纳州的科学家已能让一只猕猴在跑步机上直立行走，并从植入猕猴脑部的电极获取神经信号，通过互联网将这些信号连同视频一起发给日本的实验室，最终美国猕猴成功地“用意念控制”日本实验室里的机器人做出了相同的动作。此外，美国空军也在积极研究如何利用“脑机接口”技术及肌体协同控制技术，提高战斗机飞行员的快速反应能力。

在本文开始提到的由DARPA组织开展的“阿凡达”尖端军事科研项目，就是旨在利用“脑机接口”技术探索扩展人类机能，获取神经代码进行整合，以控制进攻性武器和系统。该项目要求集合各学科的人员，实现通过大脑活动进行人类互动并直接控制机器的目标。为此，DARPA在2013财年投入700万美元研发一种自主式双脚机器人，能够让士兵在战场上远程控制，以替代士兵执行部分作战任务，如放置监视设备、搜索并攻击建筑物内的威胁目标、救助伤员、设置障碍物等。远程临场感知操作系统是实现上述功能需要攻克的最大难关，如果可以实现，那么士兵只需控制自己的肢体便可以让机器人做出同样动作，同时士兵在操作室中也能感受到机器人所处的工作环境，实现双方更好的互动。

2013年3月，英国艾塞克斯大学的研究人员开发出第一种用于控制飞船模拟器的“脑机接口”装置。在美国航空航天局喷气推进实验室的测试中，工作人员首先在测试者身上安装了一个电极帽，然后创建了一套计算机模拟程序，测试者只需通过思维即可控制飞船模拟飞行。模拟程序中的数台计算机能够合作读取测试者的大脑信号，并通过飞船的运动实时表现出来。研究人员还发现，当两个人同时连接电极帽时，某个人片刻的分神几乎不会对飞行产生影响。

美国明尼苏达大学于2013年成功研制出脑电波遥控直升机，躲避障碍物的成功率高达90%。试验中，在飞行器起飞之后，控制者只需想象一下使用右手、左手或者双手并用，这些大脑信号就会被转化成指令，控制飞行器的右转、左转或者下降高度。整套装置由64电极脑电波探测器、计算机和WiFi网络遥控飞行器组成。人的脑电波通过探测器输入计算机，随后计算机将脑电波与飞行器飞行动作相匹配，完成人对飞行器的操控。

2013年8月，美国华盛顿大学公布了人类首次“非侵入式脑对脑接口实验”，不需要在大脑内插入电极，一人成功遥控了另一人的手部运动。布朗大学也于2013年研制出首个火柴盒大小的脑机接口无线连接装置，可将脑部数据传输至1米内的其他设备。

随着计算机科学、认知科学、神经科学等技术的发展，“脑机接口”技术发展迅速。当然，尽管人们对接口技术开展了大量实验和研究，但目前“脑机接口”技术还处于探索阶段，离实用化尚有—定距离，仍有许多亟待解决的问题：一是信号处理和信息转换速度过于缓慢；二是信号识别精度低，严重限制了“脑机接口”系统的实际应用；三是信号采集和处理方法有待改进，脑电信号采集过程中夹杂不少干扰成分，需设计抗干扰能力强的脑电信号采集设备；四是缺乏对脑机接口系统性能进行科学评价的标准。

美欧启动脑科学研究抢占前沿技术发展先机

人脑约有一千亿个神经元，是生物体内结构和功能最复杂的组织，揭示其奥秘是当前科学面临的重大挑战。

2013年以来，国际上在“脑机接口”技术领域取得了诸多突破性进展，美国更是颁布了“脑计划”，进一步推动该项技术的发展。2013年1月和4月，欧盟和美国分别宣布投入10亿欧元和38亿美元，启动大脑研究计划。其中，欧盟的“人类大脑计划”旨在用巨型计算机模拟整个人类大脑，而美国的“脑计划”则着眼于研究大脑活动中的所有神经元，绘制详尽的神经回路图谱，探索神经元、神经回路与大脑功能间的关系。

美国的“脑计划”全称为“推动创新性神经生物技术进行脑科学研究计划”，旨在推进先进神经技术的发展和应用，探索人类大脑工作机制绘制详细的脑神经元活动地图，因此又被称为“全脑神经元图谱计划”。该项计划被认为是一项可与人类基因组计划相比的重大科研计划。“脑计划”的相关研究成果将为人类更好地了解自己、保护自己、防治脑疾病和开发大脑潜能等方面作出重要贡献，而且对人工智能技术的发展具有重大推动作用，其研究成果将极大促进“脑机接口”技术的发展。

2013年9月，美国国家卫生研究院宣布，在2014财年将重点资助9个大脑研究领域。这是2013年4月美国总统奥巴马推出人脑研究计划后，相关政府科研机构首次公布具体研究与实施细节。“脑计划”工作组提出的9个资助领域包括：统计大脑细胞类型；建立大脑结构图；开发大规模神经网络记录技术；开发操作神经回路的工具；了解神经细胞与个体行为之间的联系；把神经科学实验与理论、模型、统计学等整合；描述人类大脑成像技术的机制；为科学研究建立收集人类数据的机制；知识传播与培训。

脑科学研究具有巨大的潜在军事价值，通过“脑计划”的实施将推动认知领域走向战场前沿和装备层面。脑科学的军事价值主要体现在以下三个方面：一是利用外界干预技术手段，实现对人的神经活动、思维能力等进行干扰甚至控制，导致出现幻觉、精神混乱甚至做出违背己方利益的行动；二是通过大脑实现对外界物体或设备的直接控制，减少或替代人的肢体操作，从而提高作战人员操控武器装备的灵活性和敏捷性；三是借鉴人脑构造方式和运行机理，开发出全新的信息处理系统和更加复杂、智能化的武器装备，甚至研发出与人类非常接近的智能机器人。

在看到脑科学远大发展前景的同时，也应该清醒地认识到当前脑科学的研究也面临多项挑战：一是“脑计划”实施后，每年将产生300EB（3.2×1011）的数据量，而2011年整个互联网的容量总和不超过525EB，海量数据的存储、处理和使用成为难题；二是迄今为止绝大多数的脑活动精确测量都会对实验人体造成伤害，致使脑科学的人体试验受到限制。

结 语

“脑机接口”技术在军事领域的巨大应用价值已经得到了世界军事大国的高度关注，可以预期，随着脑科学相关技术的发展和应用，将使未来战场上的将士们能通过大脑直接操纵武器。届时，士兵的大脑将直接与武器系统相连，将迅速提升武器装备智能化和操控意识化程度，对武器装备发展、使用和整个军事能力建设也将产生难以预见、令人惊叹的深刻影响。

责任编辑：田 轩

推荐访问:进展 接口 技术