類腦智能：開拓智能新境界

袁凱

類腦智能采用神經(jīng)形態(tài)計算，通過模仿人類大腦的運作方式，讓計算機軟硬件實現(xiàn)信息高效處理，同時具有低功耗、高算力的特點。

近年來，隨著大腦成像、腦機交互、生物傳感、大數(shù)據(jù)處理等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，腦科學與計算技術(shù)、人工智能、納米材料、認知心理等學科的交叉融合，正醞釀著重大理論與技術(shù)突破，腦科學與類腦研究成為全球科技競爭的焦點。

相比傳統(tǒng)意義上的人工智能，類腦智能采用神經(jīng)形態(tài)計算，通過模仿人類大腦的運作方式，讓計算機軟硬件實現(xiàn)信息高效處理，同時具有低功耗、高算力的特點。

我國也正在加快類腦智能戰(zhàn)略發(fā)展。2017年，我國提出2030年類腦智能領(lǐng)域取得重大突破的發(fā)展目標。2021年，科技部發(fā)布了“腦科學與類腦研究”重大項目相關(guān)申報指南，部署了近60個研究方向，立足于探索大腦奧秘和攻克大腦疾病的腦科學研究以及建立發(fā)展人工智能技術(shù)的類腦研究，被各界形容為“中國腦計劃”。近年來，國家還成立了類腦智能技術(shù)及應用國家工程實驗室等機構(gòu)。值得一提的是，日前，“問天I”類腦計算機技術(shù)成果在江蘇南京發(fā)布，該計算機模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運行，是國內(nèi)目前技術(shù)領(lǐng)先、規(guī)模最大的類腦計算機。

科技飛速發(fā)展，我們真的能造出一個逼近生物大腦神經(jīng)系統(tǒng)、性能遠超生物大腦的超級電子大腦嗎？當前類腦智能技術(shù)發(fā)展到了什么階段？能否實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化？產(chǎn)業(yè)化難點何在？類腦智能距離我們的生活還有多遠？

“腦機接口”走進生活

對于“腦機接口”，許多科幻愛好者一定不會陌生。《阿凡達》中，科研人員利用“腦機接口”將分析解讀后的人類大腦信息傳導給克隆人，使得克隆人同時擁有了強壯的體魄與縝密的思維；《黑客帝國》里，主人公通過脖頸上植入的電極，即時將武術(shù)技能下載到大腦中，完成了從格斗小白到“武林高手”的轉(zhuǎn)變；《萬神殿》中的“腦機接口”則更為“玄幻”，通過接口，人類可將意識上載到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，成為“互聯(lián)網(wǎng)幽靈”般的存在，獲得“永生”。

簡單來說，“腦機接口”可以將大腦中的神經(jīng)元信號轉(zhuǎn)換為能夠在現(xiàn)實世界中移動物體的具有實際意義的指令，在醫(yī)療、軍事、神經(jīng)娛樂、認知訓練、神經(jīng)生物經(jīng)濟學等方面都有所應用。如今，“腦機接口”不再遙不可及，而是已經(jīng)揭開了一角神秘的面紗，在生活中起著獨特、不可替代的作用。

2023年10月，在杭州亞殘運會的開幕式上，游泳運動員徐佳玲通過大腦控制安裝在她左臂的智能仿生手點燃了主火炬塔。同樣是這款智能仿生手，佩戴者甚至能操縱仿生手用毛筆寫下“自強不息”四個字。通過構(gòu)建仿生神經(jīng)肌肉通路，佩戴者能精準控制每根手指，重建手部運動功能。據(jù)悉，傳統(tǒng)仿生關(guān)節(jié)在穿戴使用的時候，佩戴人需要時刻去關(guān)注它，控制也達不到如此精細。而采用“腦機接口”技術(shù)的仿生關(guān)節(jié)，能夠通過實時采集腦電波，用某種裝置進行分析解碼后轉(zhuǎn)換為控制信號，進而實現(xiàn)對事物的控制。此外，利用“腦機接口”技術(shù)實現(xiàn)視覺的“人工眼球”，可以幫助盲人“看到”更復雜的信息，實現(xiàn)他們看清世界的夢想指日可待。“人工耳蝸”則是最早開發(fā)并成功應用的“腦機接口”技術(shù)之一，可以為患有嚴重感音神經(jīng)性耳聾且傳統(tǒng)助聽器無效的人提供人工聽覺。

“腦機接口”技術(shù)還被應用在航天領(lǐng)域。航天員直接用思想輸出操作指令，既省去了移動手臂完成操作所花費的大量時間，又減少了體力消耗和精神消耗。只需“趟”在空中，航天員就可以完成一系列運動意圖的指令輸出，從而控制飛船。早在2016年，我國天宮二號和神舟十一號載人航天飛船中就采用了“腦機接口”技術(shù)。飛行過程中，兩位航天員完成了人類歷史上首次太空腦機交互。這次測試為我國載人航天工程的新一代醫(yī)學保障提供了關(guān)鍵科學依據(jù)。

截至目前，北京、上海的一些高校和科研機構(gòu)在類腦智能與“腦機接口”方面已經(jīng)取得了一些成果。2019年8月，清華大學施路平團隊開發(fā)出全球首款異構(gòu)融合類腦計算芯片，該芯片結(jié)合了類腦計算和基于計算機科學的機器學習技術(shù)，有望促進人工通用智能的研究和發(fā)展；2020年1月，清華大學錢鶴、吳華強團隊與合作者研發(fā)出全球首款多陣列憶阻器存算一體芯片。

產(chǎn)業(yè)界也不甘落后。百度、科大訊飛、阿里巴巴、華為等企業(yè)都在近幾年提出了一些與類腦智能應用相關(guān)的概念，隨著類腦科學研究取得進展，“電子腦”正在從文字概念轉(zhuǎn)向現(xiàn)實應用。以已經(jīng)正式開展應用的“問天I”類腦計算機為例，其具備5億神經(jīng)元、2500億突觸智能規(guī)模，神經(jīng)元數(shù)、突觸規(guī)模位居全球第二，較現(xiàn)有計算系統(tǒng)能效提升10倍以上。

神經(jīng)形態(tài)器件是關(guān)鍵

“為什么腦科學這么吸引人，就是因為它有很多未知的領(lǐng)域還需要大家去探索。”中國科學院院士、中國科學院腦科學與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心學術(shù)主任蒲慕明曾指出，腦科學中最關(guān)鍵的研究問題是功能相關(guān)的神經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)和功能是怎么產(chǎn)生的。人腦由幾百種不同的神經(jīng)細胞所組成，這些神經(jīng)細胞通過突觸的連接，形成非常復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)之中又含有特殊的環(huán)路和通路，當進行某一種特殊功能的時候，這些通路就會被激活。所以我們不但要知道整個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是怎么回事，還要知道環(huán)路、通路進行特殊功能的工作原理，這是腦科學目前要努力的方向。而直至今日，我們卻對復雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和信號傳遞機制知之甚少。

在業(yè)界，類腦智能的實現(xiàn)路徑大致可以分為軟類腦和硬類腦兩類。前者側(cè)重讓算法和模型能夠模擬大腦的工作模式；后者則在硬件材料方面尋求突破，通過開發(fā)神經(jīng)形態(tài)的芯片和其他介質(zhì)，以生物電子學、神經(jīng)形態(tài)工程等學科為基礎(chǔ)，模擬生物神經(jīng)元乃至整個大腦，是類腦技術(shù)破局的關(guān)鍵。“人腦在有限尺寸和極低能耗下，能夠完成復雜環(huán)境中的信息關(guān)聯(lián)記憶、快速識別和自主學習等認知任務(wù)。隨著芯片換代速度放緩、算力供不應求等挑戰(zhàn)出現(xiàn)，面向未來，現(xiàn)有計算機的計算方式已難以為繼。要想實現(xiàn)類腦計算，就需要尋找更多模擬人腦功能的神經(jīng)形態(tài)器件。”?清華大學精密儀器系、清華大學類腦計算研究中心長聘副教授李黃龍認為。

產(chǎn)業(yè)市場同樣偏愛神經(jīng)形態(tài)器件。據(jù)神經(jīng)技術(shù)設(shè)備行業(yè)市場估計，2021年神經(jīng)技術(shù)設(shè)備市場超過109億美元，其中神經(jīng)刺激市場占69%，神經(jīng)假體市場超過21億美元，睡眠障礙市場達7.64億美元，癲癇市場超過4.45億美元。2022—2030年將以年均14.5%的速度增長，2030年市場規(guī)模將超過355億美元。未來，神經(jīng)疾病患病率和各國對腦科學、神經(jīng)設(shè)備的資助等將是驅(qū)動該市場快速發(fā)展的主要因素。

此外，2021年全球腦機接口（包括侵入式和非侵入式腦機接口）市場規(guī)模達15.05億美元，2030年將達到53.40億美元，復合年均增長率高達15.11%。目前腦機接口產(chǎn)品主要用于恢復或替代因肌萎縮性側(cè)索硬化癥、中風、腦癱或脊髓損傷等神經(jīng)肌肉疾病患者的功能。腦機接口市場面臨的機會則包括：虛擬現(xiàn)實的帶動、智能家庭控制系統(tǒng)中的應用、政府和研究機構(gòu)的持續(xù)投入、人口老齡化和患者的需求等。

神經(jīng)技術(shù)設(shè)備與“腦機接口”產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展也帶動著類腦智能轉(zhuǎn)型。人腦是自然界中最完美的信息處理系統(tǒng)，而類腦計算則借鑒人腦處理信息的方式，以更少的器件、更低的功耗和更高的能效比顛覆傳統(tǒng)計算范式，引領(lǐng)人工智能的新變革。當前，盡管類腦計算行業(yè)還處在突圍階段，但市場前景已經(jīng)愈發(fā)明朗。數(shù)據(jù)顯示，2035年類腦計算市場將占據(jù)人工智能市場總收入的15%～20%，市場規(guī)模約200億美元。業(yè)內(nèi)人士認為，短期來看，類腦器件、芯片還扎根于智能市場，發(fā)揮自身低功耗、高能效的優(yōu)勢，開發(fā)并創(chuàng)造更多的應用場景；長期來看，想要迎來商業(yè)價值的釋放，不但要在產(chǎn)業(yè)端進一步控制類腦芯片、設(shè)備的制造成本，還需要從科研端入手，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上發(fā)展類腦計算的完備性，向通用計算領(lǐng)域優(yōu)化拓展。

“類腦智能”落地仍面臨挑戰(zhàn)

不過，“類腦智能”要想落地，在技術(shù)水平、數(shù)據(jù)治理、倫理安全監(jiān)管方面還面臨著諸多挑戰(zhàn)。

一方面，相關(guān)研究仍處于起步階段，研究范圍有待擴大。類腦智能的研究涉及神經(jīng)科學、信息科學、材料科學和機械學等多學科知識，需要整合多種前沿科學成果并進行深度融合。與此同時，當前，人類大腦的開發(fā)還不足5%，神經(jīng)元連接多樣且富有變化，很難精確建模。

另一方面，隨著各國腦計劃持續(xù)實施，全球腦科學領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了海量的腦圖譜、腦監(jiān)測數(shù)據(jù)，如何高效、安全地利用這些數(shù)據(jù)成為該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)，由此產(chǎn)生對數(shù)據(jù)治理的需求。

此外，當計算機跨越人類與技術(shù)的界限，道德倫理問題隨之而來。例如，“類腦器官”能否感知外部環(huán)境，能否產(chǎn)生意識、實現(xiàn)思考，以及細胞捐贈者具有哪些權(quán)利，等等。

目前，國際腦行動計劃已發(fā)文呼吁加強腦科學的數(shù)據(jù)治理，并提出建議。首先是制定國際數(shù)據(jù)治理原則；其次要開發(fā)數(shù)據(jù)治理相關(guān)的實用工具和指南；最后需要加強數(shù)據(jù)治理教育，提高認識。并強調(diào)，未來，各國腦科學領(lǐng)域要進一步重視數(shù)據(jù)治理，并制定出全球統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的數(shù)據(jù)治理原則和框架。

英國議會《腦機接口》報告指出，腦機接口領(lǐng)域面臨的倫理挑戰(zhàn)包括安全性、隱私保護、獲取腦機接口產(chǎn)品的公平性、風險與收益評估、腦機接口參與的相關(guān)行為的權(quán)責問題等。未來，以腦機接口為代表的類腦智能產(chǎn)品的廣泛應用，將帶來更多的倫理安全問題。目前，各國已經(jīng)采取了初步行動，包括開展神經(jīng)倫理學研究，并加強相關(guān)概念的宣傳。我國也于2022年發(fā)布了《關(guān)于加強科技倫理治理的意見》。可以預見，類腦智能倫理安全監(jiān)管有望更加規(guī)范化，實現(xiàn)全球共識。

正如不少業(yè)內(nèi)人士所言，時至今日，盡管類腦智能已經(jīng)取得一些進展，但大腦作為人類智慧的集結(jié)，是已知的宇宙當中最復雜的產(chǎn)物，對大腦的研究也被稱作是自然科學的“終極疆域”。類腦智能作為模仿神經(jīng)生理學和生理心理學機制、以計算建模為手段并通過軟硬件協(xié)同實現(xiàn)的機器智能計算，距離實現(xiàn)人類打造像人腦一樣的“機器腦”這樣的夢想，還有充滿挑戰(zhàn)的路要走。