腦機接口技術取得重要進展

科幻影片《阿凡達》中男主角杰克是一位坐在輪椅上的殘障人士，他通過電腦操作系統竟然可以用思維去控制另一具人造的“外星人”軀體。片中展現的最為神奇的一項“技術”，就是借助先進的計算機界面設備，人類能夠以“心靈感應”驅動和控制化身，并通過后者的感官體驗環境和認識世界。

好的科幻故事往往建立在現實世界的科技創新基礎上，并由此展開合理的想象，無怪乎美國杜克大學的神經系統學家米格爾·尼古萊利斯感嘆：“《阿凡達》影片中展現的內容與我們當前正在實施的實驗有著驚人的相似之處?！眲≈兴员M管是虛構，但隨著技術的進步，用思維控制其他物體將不再是幻想，這就是“腦機接口”（BCI）技術——一種可能改變未來戰爭面貌的顛覆性技術。

2012年，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）在其預算報告中，披露了一項名為“阿凡達”的尖端軍事科研項目。所謂“阿凡達”研究項目，主要就是“腦機接口”研究領域，這一領域也正迅速成為全球科學家最熱門的研究對象。由于極具想象力的“意念控制”主題，也讓普通人都備感新奇而產生興趣。

“腦機接口”技術：一項神奇的顛覆性技術

追溯歷史，“腦機接口”技術產生并不久遠。1973年，美國科學家維達爾首次產生了“腦機接口”技術的概念萌芽。時隔4 年后，其將“腦機接口”技術初步定義為：一種能反映大腦功能內在機理微觀信息的計算機系統技術。與此同時，維達爾還以視覺刺激產生的視覺誘發電位作控制信號，建立了一個操作者通過控制光標成功穿越二維迷宮的“腦機接口”技術系統。1988年，科學家法威爾和杜切爾實現了用大腦直接控制虛擬打字機的操作。1999年，第一次“腦機接口”國際會議給出了明確定義，即“腦機接口”技術是一種不依賴于通常由外圍神經和肌肉組成的傳輸通路的通訊系統技術。

“腦機接口”技術是腦科學研究中的—個分支，通過信號采集設備從大腦皮層采集腦電信號，經過放大、濾波、模數轉換等處理轉化為可以被計算機識別的信號，然后對信號進行預處理，提取特征信號，再利用這些特征進行模式識別，最后轉化為控制外部設備的具體指令。外部設備也可以是一個智能機器人，通過人的意念主導其活動，就成了“阿凡達”。意念控制，其實可以看成是外部設備（無論是機器還是機器人）讀懂大腦神經信號并且執行指令的過程。

“腦機接口”技術的原理是，當一個人的大腦在進行思維活動、產生意識（如動作意識）或受到外界刺激（如視覺、聽覺等）時，伴隨其神經系統運行的還有一系列電活動，這些腦電信號可以通過特定的技術手段加以檢測，然后再通過信號處理（特征提取、功能分類等），從中辨別出當事人的真實意圖，并將其思維活動轉換為指令信號，以實現對外部物理設備的有效控制?；谠撛?，“腦機接口”技術系統像任何通訊及控制系統一樣，由輸入（如使用者的腦電信號）、輸出（如控制外部設備的指令）、信號處理和轉換等功能環節組成。

“腦機接口”系統的關鍵技術包括大腦神經生物信號采集技術、大腦神經生物信號處理技術及人機高效交互技術。一般“腦機接口”技術常用的輸入信號是來自頭皮或腦表面記錄的腦電信號，以及大腦內記錄的神經元電活動。信號處理環節就是通過對源信號進行適當的處理分析，把連續的模擬信號轉換成用某些特征參數表示的數字信號，然后將提取到的上述特征參數利用分類器進行功能分類，從而產生操作驅動指令，通過物理傳輸裝置實現與外界的有效交流。

對武器裝備發展具有巨大的潛在價值

“腦機接口”技術對武器裝備發展具有巨大的潛在價值，人類可以通過大腦直接控制外界物體或設備，減少或替代人的肢體操作活動，從而提高作戰人員操控武器裝備的靈活性和敏捷性?！澳X機接口”技術可以實現人腦對武器裝備的直接控制，賦予武器裝備“隨心所動”的智能化特征，對于推動未來武器裝備的智能化發展具有重要意義。此外，該技術還能提高士兵在戰場上的態勢感知與目標探測能力，通過接收腦電波直接反映戰場態勢與威脅，使傳感器、射手之間的反應時間降到最低?！澳X機接口”技術還能增強軍事訓練的實戰性和對抗性，提高模擬訓練的效果，尤其能較好地解決軍事訓練中的反饋和過程回放問題，為軍事訓練的評估和方案制定提供依據。當然，目前大多數“腦機接口”技術仍然處于試驗研究階段，真正走上戰場仍面臨諸多難題。

美國軍方從21世紀初就已經開始探討“腦機接口”技術的具體軍事應用方式，并密切注視其潛在對手在此方面的研究進展，同時對如何通過電信號控制生物大腦完成指令任務進行了專門研究，啟動的相關研究工作包括：在視頻信號中疊加視覺腦電波指令的方法、神經系統腦電波聲音操縱項目、無聲潛意識交流系統、聽覺系統項目等。

2004年，DARPA投入2400萬美元資助美國杜克大學神經工程中心等6個實驗室進行了“思維控制機器人”的研究工作，還聯合商業研發機構和地方政府開展了腦聽器、心靈及生理響應系統、無線電催眠發生器、MKULTRA項目等多項“腦機接口”技術新概念產品的研發工作。DARPA的“認知技術威脅預警”項目，已經獲得了初步科研成果，使士兵能夠在2～3秒內識別視場范圍內100個威脅目標。2008年，位于北卡羅來納州的科學家已能讓一只獼猴在跑步機上直立行走，并從植入獼猴腦部的電極獲取神經信號，通過互聯網將這些信號連同視頻一起發給日本的實驗室，最終美國獼猴成功地“用意念控制”日本實驗室里的機器人做出了相同的動作。此外，美國空軍也在積極研究如何利用“腦機接口”技術及肌體協同控制技術，提高戰斗機飛行員的快速反應能力。

在本文開始提到的由DARPA組織開展的“阿凡達”尖端軍事科研項目，就是旨在利用“腦機接口”技術探索擴展人類機能，獲取神經代碼進行整合，以控制進攻性武器和系統。該項目要求集合各學科的人員，實現通過大腦活動進行人類互動并直接控制機器的目標。為此，DARPA在2013財年投入700萬美元研發一種自主式雙腳機器人，能夠讓士兵在戰場上遠程控制，以替代士兵執行部分作戰任務，如放置監視設備、搜索并攻擊建筑物內的威脅目標、救助傷員、設置障礙物等。遠程臨場感知操作系統是實現上述功能需要攻克的最大難關，如果可以實現，那么士兵只需控制自己的肢體便可以讓機器人做出同樣動作，同時士兵在操作室中也能感受到機器人所處的工作環境，實現雙方更好的互動。

2013年3月，英國艾塞克斯大學的研究人員開發出第一種用于控制飛船模擬器的“腦機接口”裝置。在美國航空航天局噴氣推進實驗室的測試中，工作人員首先在測試者身上安裝了一個電極帽，然后創建了一套計算機模擬程序，測試者只需通過思維即可控制飛船模擬飛行。模擬程序中的數臺計算機能夠合作讀取測試者的大腦信號，并通過飛船的運動實時表現出來。研究人員還發現，當兩個人同時連接電極帽時，某個人片刻的分神幾乎不會對飛行產生影響。

美國明尼蘇達大學于2013年成功研制出腦電波遙控直升機，躲避障礙物的成功率高達90%。試驗中，在飛行器起飛之后，控制者只需想象一下使用右手、左手或者雙手并用，這些大腦信號就會被轉化成指令，控制飛行器的右轉、左轉或者下降高度。整套裝置由64電極腦電波探測器、計算機和WiFi網絡遙控飛行器組成。人的腦電波通過探測器輸入計算機，隨后計算機將腦電波與飛行器飛行動作相匹配，完成人對飛行器的操控。

2013年8月，美國華盛頓大學公布了人類首次“非侵入式腦對腦接口實驗”，不需要在大腦內插入電極，一人成功遙控了另一人的手部運動。布朗大學也于2013年研制出首個火柴盒大小的腦機接口無線連接裝置，可將腦部數據傳輸至1米內的其他設備。

隨著計算機科學、認知科學、神經科學等技術的發展，“腦機接口”技術發展迅速。當然，盡管人們對接口技術開展了大量實驗和研究，但目前“腦機接口”技術還處于探索階段，離實用化尚有—定距離，仍有許多亟待解決的問題：一是信號處理和信息轉換速度過于緩慢；二是信號識別精度低，嚴重限制了“腦機接口”系統的實際應用；三是信號采集和處理方法有待改進，腦電信號采集過程中夾雜不少干擾成分，需設計抗干擾能力強的腦電信號采集設備；四是缺乏對腦機接口系統性能進行科學評價的標準。

美歐啟動腦科學研究搶占前沿技術發展先機

人腦約有一千億個神經元，是生物體內結構和功能最復雜的組織，揭示其奧秘是當前科學面臨的重大挑戰。

2013年以來，國際上在“腦機接口”技術領域取得了諸多突破性進展，美國更是頒布了“腦計劃”，進一步推動該項技術的發展。2013年1月和4月，歐盟和美國分別宣布投入10億歐元和38億美元，啟動大腦研究計劃。其中，歐盟的“人類大腦計劃”旨在用巨型計算機模擬整個人類大腦，而美國的“腦計劃”則著眼于研究大腦活動中的所有神經元，繪制詳盡的神經回路圖譜，探索神經元、神經回路與大腦功能間的關系。

美國的“腦計劃”全稱為“推動創新性神經生物技術進行腦科學研究計劃”，旨在推進先進神經技術的發展和應用，探索人類大腦工作機制繪制詳細的腦神經元活動地圖，因此又被稱為“全腦神經元圖譜計劃”。該項計劃被認為是一項可與人類基因組計劃相比的重大科研計劃。“腦計劃”的相關研究成果將為人類更好地了解自己、保護自己、防治腦疾病和開發大腦潛能等方面作出重要貢獻，而且對人工智能技術的發展具有重大推動作用，其研究成果將極大促進“腦機接口”技術的發展。

2013年9月，美國國家衛生研究院宣布，在2014財年將重點資助9個大腦研究領域。這是2013年4月美國總統奧巴馬推出人腦研究計劃后，相關政府科研機構首次公布具體研究與實施細節?！澳X計劃”工作組提出的9個資助領域包括：統計大腦細胞類型；建立大腦結構圖；開發大規模神經網絡記錄技術；開發操作神經回路的工具；了解神經細胞與個體行為之間的聯系；把神經科學實驗與理論、模型、統計學等整合；描述人類大腦成像技術的機制；為科學研究建立收集人類數據的機制；知識傳播與培訓。

腦科學研究具有巨大的潛在軍事價值，通過“腦計劃”的實施將推動認知領域走向戰場前沿和裝備層面。腦科學的軍事價值主要體現在以下三個方面：一是利用外界干預技術手段，實現對人的神經活動、思維能力等進行干擾甚至控制，導致出現幻覺、精神混亂甚至做出違背己方利益的行動；二是通過大腦實現對外界物體或設備的直接控制，減少或替代人的肢體操作，從而提高作戰人員操控武器裝備的靈活性和敏捷性；三是借鑒人腦構造方式和運行機理，開發出全新的信息處理系統和更加復雜、智能化的武器裝備，甚至研發出與人類非常接近的智能機器人。

在看到腦科學遠大發展前景的同時，也應該清醒地認識到當前腦科學的研究也面臨多項挑戰：一是“腦計劃”實施后，每年將產生300EB（3.2×1011）的數據量，而2011年整個互聯網的容量總和不超過525EB，海量數據的存儲、處理和使用成為難題；二是迄今為止絕大多數的腦活動精確測量都會對實驗人體造成傷害，致使腦科學的人體試驗受到限制。

結 語

“腦機接口”技術在軍事領域的巨大應用價值已經得到了世界軍事大國的高度關注，可以預期，隨著腦科學相關技術的發展和應用，將使未來戰場上的將士們能通過大腦直接操縱武器。屆時，士兵的大腦將直接與武器系統相連，將迅速提升武器裝備智能化和操控意識化程度，對武器裝備發展、使用和整個軍事能力建設也將產生難以預見、令人驚嘆的深刻影響。

責任編輯：田 軒