一个“美加韩法中”科学工作者做过的一些事

主编的话：大学毕业33年，在川大首次见到竟鸣教授。交流间，他讲起科学探索，滔滔不绝，从中午到晚上……当时我想：某天让我的学生也听听！2016年，竟鸣教授作为成都电子科大特邀长江讲座教授回到成都，我请他作为特邀专家参加由西南大学科教中心主办的第九届全国科学教育论坛。在座无虚席的西南大学物理学院报告厅，竟鸣教授深入浅出、循循善诱，将同学们从布朗大学引到其在加、韩、法及中国的研究中，原定1小时的发言被延长至两个多小时。此文是根据竟鸣教授现场报告的部分内容整理而成，希望老师们读后有所启示。

作者简介：许竟鸣（Jimmy Xu）博士，布朗大学Charles C. Tillinghast讲座教授，布朗大学工程和物理学教授，布朗大学新兴技术实验室首席科学家，成都电子科技大学特邀长江讲座教授，首尔国立大学WCU教授，法国利尔大学特邀（访问）教授，美国航天局喷气推进实验室杰出访问科学家（DVS， Distinguished Scientist）， 电子和电器工程学会会士（IEEE fellow），美国物理学会会士（APS fellow），美国科学促进会会士（AAAS fellow），英国物理学会会士（IOP fellow）。

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）3-0001-4

序 言

当今科学研究是那样的令人神往，使人激动，能让研究者享受成就、兴奋满足；是那样的具有影响力，极大地推进了社会的发展、改善了人们的生活。不过，巨大的科技进步也常会让人担忧，因为它带来若干问题，甚至可能改变文化，挑战人类道德规范及法律条款等。有时，实验室所涉及的问题是那样的重大，以致国与国之间的争斗都显得微不足道，并且需要全球携手、协同探索，共同面对来自大自然和科技进展的重大问题。今天，在新的挑战与机遇面前，科学与工程原来相互独立的基础学科再次交叠，相关的科技成就层出不穷。时代在发展，科学在进步，而科学教育好像仍停留在过去的状态，教學方式没有多少改变，这将导致科学教育落后于科技的发展。科技研究发展需要研究者具有解决多个领域问题的能力，包括处理生理、心理和社会问题的能力。科技的进步推进科学教育的发展，而科学教育的改进也可使科技发展的潜力源源不断。下面从报告者曾做过的、现在正做的以及今后想做的几个方面尝试揭示一些与科学探索和科学教育相关的问题。

1 猴子实验与纳米探针

报告者曾参与一个DARPA项目，DARPA是美国国防部先进研究项目局的简称，它的部分研究成果对人类产生了极大影响，但同时也给人类带来了新的挑战，该项目局曾创造了计算机、互联网、导航……

报告者参加的是一个结合脑神经生物、信息和微电子应用的若干个团队合作的项目。实验中的一个重要环节就是把半导体芯片连上探针后直接植入大脑管动作的脑神经区，并和脑神经元接触，把神经元里面的电信号取出来，然后在计算机上进行图像神经元活动处理。实验中首先选择了猴子作为实验品，首先在猴子大脑控制运动的区域中植入芯片，将其大脑的活动情况通过探针进行探测并且随时提取。比如：当猴子的手向右伸时，大脑的活动分布图就出现了，于是把这个活动图存储于计算机。下一次猴子又想伸右手时（比如在饿了的情况下，给它一个香蕉，它一定会抓的），如果它大脑中的这幅神经元活动图重新出现的话，就可知这幅图可能表示大脑思维是想指挥这只手向右伸出。如果重复多次皆如此，那么答案就可确定了。大脑活动图和猴子意图一一对照后，下一步就可将猴子的手固定，待其饥饿时在显示屏呈现香蕉，此时大脑仍在活动，继续对比大脑活动图，多次重复后即可掌握其规律。通过对比建立信息关联，可把这些信息通过英特网输送到另一端。实验中（图1），猴子附近有个机械手，当猴子想得到那个香蕉，相关的大脑活动图像出现，计算机即判断猴子想伸右手，把相关的信号传给机械手，得到信号后机械手就往右伸出拿到香蕉。该实验成功后纽约时报等多种媒体报道了相关消息。

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图1 猴子实验

在上述这个项目中，报告者的主要任务就是研发约10纳米的碳纳米管（一根头发大概是它的1 000倍），这是世界上最细的探针。在它上面加上一个蛋白体，当蛋白体与酶作用后，产生的电子可进入纳米管，再由纳米管送到半导体芯片和计算机，这样就可把大脑活动随时记录下来。在实验中，实验者期望把这个探针插入到神经元（如图2），获取信息。人脑中的神经元约3～10微米，10纳米的探针比神经元小1 000倍左右，因此，将其插入到神经元是不会干扰神经元活动的。如果能做一根探针，当然可做2根，200根，……2亿根……，这看起来似乎没有问题，但实现起来仍存在巨大的挑战。

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图2 神经元中的纳米探针

2 实验困难及对技术的挑战

为什么学物理的报告者会参与大脑研究呢？从事微电子、纳电子研究的有很多是学物理的。这个领域正面临一个迫切而实际的问题——连线和热危机。1947年科学家发明了第一个三极管，它的尺寸和手指头差不多。随着科技的发展，芯片的三极管越做越小，数量越来越多。事实上，每一代计算机技术的发展使芯片的三极管数量翻倍，尺寸缩半，但每一代的技术成本也会增加两倍，现在已到了160亿美元一条生产线。这样的投资成本，没有几个国家能承受。从商业角度看，这带来了关键技术的垄断；从技术角度看，这会对整个科技和国力带来挑战。1990年的最高水平是微米级的三极管，最关键的部分仅有1微米。仅过三代后，芯片上就看不到三极管了，看到的都是连线；再三代之后，连线都看不到了，红外成像看到的只是发热图。到2013年，口袋中的手机里的三极管已经小到40纳米，比头发小1 000倍。这样的创造与突破是令人震撼的，这完全是一个人造的技术！但是令人担忧的是，这种发展可能将停止。对该领域的研究者而言，这是灾难的前景。在前辈几代手上没有停止的进展，在当今研究者手上却可能停止，这是为什么呢？

对国力和财力雄厚的研究者而言，现在正面临的大问题不是制造技术和成本，而是一个热危机和一个连线危机！其实，大家能从生活中感受这个危机，当用手换100 W的白炽灯灯泡时，会感到烫手。然而，现在的芯片大小是1 cm2，承载的功率却有100 W，如果不把热去掉，那它产生的温度足以把芯片熔化。每一代技术往下走，产生的热就会翻倍。如果不解决这个问题，下一代就是200 W，这么高的温度下手机都会冒烟，大的计算机问题也会更严重。而这不是唯一的问题。在一个1 cm2的芯片上已有几十公里长的连线，下一代翻倍，这是另一个很棘手的问题。如果找不到解决方案，这个问题只会更加恶化。这难道不是危机吗？现在的世界经济是所谓的信息经济，若这些危机不克服的话，它将成为信息经济发展的巨大阻碍。因此，我们希望从参与关于大脑的研究中得到启发。

不过，上述危机与大脑有怎样的联系呢？大脑能进行那么复杂的计算，但产热多少呢？这可用与中学知识相关的方式来估算大脑的耗能。首先，把吃饭吸收的热量换成卡路里，再把卡路里换成电耗能量，然后估算出大脑的耗能。以常人为例，在室温下，大脑耗能仅为10～60 W左右。在某些问题上，大脑的计算量可与最好的银河计算机相比，且还能解决银河计算机不能解决的问题。这是因为计算机只能做部分搜索和序列性的计算，而大脑的计算判断是综合性的。相关技术虽然不断更新，科学不断发展，但是芯片和计算机涉及的连线构局、方式一直没有改变。冯·诺依曼设计了计算机的原理，序列形的信号从信号A到信号B再到信号C，如此传输过去再回零，最后输出。计算量越大用的晶体管越多，这个信号在芯片里的传输就越长。现在芯片里的每个晶体管操作约每秒几十个亿，再乘上几十个亿的三极管，每一次操作回零，这就是手机和计算机的操作。虽然看似神秘，但实际上无非就是每个晶体管充电、放电，每次充电要给能量，每次放电把能量放掉，就变成热。芯片里的晶体管、传输线、产热每代翻倍，十几代后就导致了现在的危机。我们都希望有第二个冯·诺依曼出现，他自己在生前也这样希望，期待能找到第二种连线构局信号处理方案来突破连线和产热的问题。而对大脑的研究也许能为我们提供启示，这也是学物理的报告者参与大脑研究的主要動机。

大脑的结构连线、能耗、散热都不是问题。从大脑研究中我们已知大脑的神经元不是A到B、B到C、C到D的连线，也不是一端对一端的线性连接。神经元有很多触端，它们是网状连接。观察大脑活动情况后发现：思维也不是由一个个神经元的系列操作决定的，它往往是在一个区域里同时进行的，每一个行为、每一个行动、每一个记忆都是一片一区或几区神经单元同时相关行动和作用。计算机是通过三极管把这一个信息传递到下一个，三极管是1到0、0到1的状态传下去，而大脑是多个状态同时进行。那芯片为何不可以？从物理学中的热动力学可知，噪声会积累，当其大于信号时，信息便无法传递，所以冯·诺依曼设计的连线构局方式总让信号和噪声每一步都回零，这就是所谓的二进序列制。实验发现，大脑思维和记忆某种状态并非一个单元一个单元参与，而是多个和多区神经单元同时参与的。报告者的实验室当时能做出世界上最细的探针，他们希望通过用最细的探针了解更多更细的大脑的神经元活动信息。不过，在实验中遇到了问题。虽然探针的强度大，但是因为其太细，在插入大脑皮层的过程中会折弯、分解，因此，现在能插入大脑的还是传统的微米级的针头，以提供足够的力学硬度和强度（图3），但这样得到的大脑的神经元活动信息还是粗略的。在这些研究领域有若干突破，但还存在很多困难等待着研究者去攻克。

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图3 探针

3 人的实验及相关的科学伦理问题

虽然现在能得到的大脑神经元活动信息还是粗略的，但与大脑研究相关的实验，已给人类带来了福音。例如：在相关的人脑实验中，有一位自愿者是因神经部分被切断而失去了所有的行动能力，他是理想的实验人选，因为神经系统短时间未使用还没有完全退化。当植入芯片和经过训练后，他的眼睛看哪个字母，机械手就帮他打出那个字母，该自愿者通过机械手的帮助现已可发送电子邮件等。另一位自愿者是位女性，15年前她在自己的花园里工作时晕倒，因脑血栓导致脑梗阻，脑部以下皆瘫痪，语言能力丧失。她自愿作为实验被试，结果实验成功了。如图4所示，有一个机械手正拿着一罐可乐（上左），在这位女士的思维控制下，机械手将可乐送往女士嘴边（上右），该女士通过吸管喝到可乐（下左），她开心地笑了（下右）。这位女士已经15年没有自己喝过饮料了，她几乎丧失了“吸”的能力。实验中，相关实验人员在其后面默默地看着，这位女士不断努（上接第3页）力，最后她终于喝到了15年来第一次由自己意愿控制的而不是别人喂的可乐。在她露出开心笑容的同时，见证这一奇迹的实验工作者及为她做手术的医生们则激动得流泪。

这完全是一个科学幻想式的探索计划。在女士瘫痪了15年后，科学家让这位女士的愿望变成了现实。为此，她经历了几个月的训练，计算机要解读她大脑的活动图案，这个过程需要多次反复对比，通过人工智能判断大脑的活动。但是，这个实验证明：现在，人的思维至少有一部分是可被摄取的了。这带来的意义可能是什么呢？一方面给人类带来了福音，但另一方面则可能让我们担忧。例如：猴子的实验中，猴子的思维可通过传输器、因特网等传输到另一端，控制1 000多公里外的机械手抓住一根香蕉；再如，人类已可利用电脑来控制老鼠抬腿或跨步等。这样一来，人的思维是否也可能被控制？若某人想去伤人，只有意念未有自己个人的动作，这是否也算犯罪？可见，科学技术的发展已经影响到了法律条文、道德规范及国家文化等相关领域的问题。

总体上看，我们已知关于大脑神经元网络结构的一部分，而将其与世界各地建立的互联网比较，其结果是令人惊讶的。两者有诸多相似，例如：怎样连接、连接时所遵循的规则及独立的节点操作、连接度等。

大脑中的神经元网络能自主形成相关的神经元活动态（感知、思维、记忆、情感……）。那么，是否有一天环绕地球的互联网将像一个巨形人造大脑，如图5所示，做同类的事情并自主形成相关的活动态，发挥相似的作用，指挥调动资源分配，并且这一切是在不经意中自我创造出来的呢？

这些都是人类应关注的问题，也是人类自己创造和将面临的挑战。对此，人类会通过富有创造性的思维和双手做出新的贡献。想想，我们目前的教育方法和体制能胜任这一任务吗？

（栏目编辑 廖伯琴）

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