【Brain】脑科学如何颠覆未来作战形式

人工智能产业链联盟 2019/09/05 13:29

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大脑是人体中最复杂的部分,也是宇宙中已知的最复杂的组织结构。21世纪,被称为“生命科学、脑科学的百年”或“脑研究世纪”,伴随着脑科学和认知科学的兴起与发展,以人类为中心的认知与智能活动研究,已进入发展新阶段。脑科学相关技术的发展和应用能迅速提升武器装备智能化和操控意识化程度,对武器装备的发展、使用和国防军事能力建设将产生难以预见的颠覆性影响。

多国启动脑科学重大研究计划

多年来,人类对脑奥秘的探究从未停止,已有数十位从事脑科学研究的科学家获得诺贝尔奖,脑科学在发达国家已成为科学研究“皇冠上的明珠”。早在20世纪90年代,美国就率先提出“脑的十年计划”,欧盟成立了“欧洲脑的十年”委员会,国际脑科学组织也采取多种举措推动脑科学研究的发展。

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奥巴马宣布启动美国“脑计划”

2013年4月,美国宣布启动“脑计划”;2014年6月,美国国立卫生研究院发布“脑计划”路线图,详细阐述了脑科学计划的研究目标、重点领域、实施方案、具体成果、时间与经费估算等,提出将重点资助9个大脑研究领域: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,整合神经科学实验与理论、模型、统计学等,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。2014年8月,美国国家科学基金会宣布,将资助36项脑科学相关项目,涉及实时全脑成像、新的神经网络理论以及下一代光遗传学技术等。美国国防高级研究计划局(DARPA)近年来启动了数十项旨在提高对大脑动态和机制的了解、推进相关技术应用的项目,包括可靠神经接口技术项目、革命性假肢、恢复编码存储器集成神经装置、重组和加速伤势恢复项目、将模拟大脑用于复杂信号处理和数据分析项目等。

2013年,欧盟委员会宣布将“人脑工程”列入“未来新兴技术旗舰计划”,力图集合多方力量,为基于信息通信技术的新型脑研究模式奠定基础,加速脑科学研究成果转化。该计划被认为是目前世界最先进的脑科学大型研究计划,由瑞士洛桑理工学院统筹协调,欧盟130家有关科研机构组成,预算12亿欧元,预期研究期限10年,旨在深入研究和理解人类大脑的运作机理,在大量科研数据和知识积累的基础上,开发出新的前沿医学和信息技术。该计划首先利用30个月的时间,建设涉及神经信息学、大脑模拟、高性能计算、医学信息学、神经形态计算和神经机器人等6座大型试验与科研基础设施。这些设施将对全球科技人员开放,邀请世界顶尖科学家参与研究。

此外,日本、德国、英国、瑞士等国也都先后推出本国的脑科学研究计划。

脑科学研究在全球掀起新热潮

进入21世纪以来,随着相关理论的完善和新实验工具的涌现,大脑最深层的一些奥秘开始浮出水面。特别是近年来,欧美爆发“脑”竞赛,全球围绕大脑的研究掀起新一轮热潮,与大脑有关的科学发现不断涌现,为脑科学的大规模推进与应用奠定了基础。

在研究与探索脑结构方面,2012年,哈佛大学的科学家研究出了一种新的核磁共振扫描技术,用于探索人类大脑内部结构;DARPA与美国威斯康辛大学麦迪逊分校合作,研发出探究人脑神经结构与功能之间联系的脑研究技术;2014年,在DARPA可靠神经接口技术项目的支持下,威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员开发了新的脑结构研究技术,这项技术对大脑中神经网络活动的可视化和量化研究具有重大贡献。

在脑信息获取技术方面,脑电信号破译研究、神经活动信息还原视觉图像研究、神经活动信息支持行为与神经元关系研究、神经活动信息再现人类梦境研究等均取得了新进展。例如,澳大利亚Emotiv公司开发出了一种能够翻译人类8种生理表现和7种表情的脑电信号装置;美国、德国和英国的研究人员实现了利用磁共振成像技术将大脑活动信息转换成想象物体图形;DARPA近期正在开发新型大脑植入物,实现对大脑信号的实时跟踪与响应;2014年,DARPA启动“神经功能、活动、结构与技术”项目,加速和简化对大脑的3D分析,使整个大脑成像只需220天。

在脑机接口技术方面,多国开展了一系列技术验证并取得突破,实现了大脑控制外界设备以及大脑控制另一生物体的异体控制。2008年,位于美国北卡罗来纳州的科学家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;美国布朗大学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;2013年3月,英国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,美国科研人员又创建了计算机模拟程序,将脑机接口装置戴在头上后,通过人脑意念便可控制飞船模拟飞行;2015年6月,俄罗斯“未来研究基金会”负责人表示,以思维控制机械的脑机接口在俄研发成功,该脑机接口使用在医学上广泛普及的脑电描记法来捕捉脑电活动。

在“脑对脑”控制方面,2013年2月,美国杜克大学的研究人员将分别位于美国和巴西的两只大鼠的大脑,通过植入脑内的芯片和计算机建立彼此之间的脑电波传输回路,实现了成功率为65%的脑对脑异体控制实验;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;2014年2月,美国哈佛大学医学院等机构利用一只作为发出指令的“主体”猴子和一只作为接收指令的猴子实现了异体操控,任务完成率高达98%。

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用于模拟“脑控”飞船的实验装置

此外,近期脑研究与应用领域还取得了许多重要进展。例如,美国塔夫茨大学成功创建出三维脑状组织模型,功能和结构特征类似于大鼠脑组织,可用于研究脑功能,开发治疗脑功能障碍新疗法;2013年,德国比勒费尔德大学物理系的研究人员制造出有学习能力的纳米忆阻器元件,每个大小只有人类头发直径的1/600,该忆阻器将作为设计人工大脑的关键部件;2014年9月,西班牙、法国、美国科学家联合开展实验,利用脑电波和仪器设备实现“人际交流”,成功将两个单词从一位印度志愿者脑中传送到8000千米外的法国实验人员脑中,这是人类首次“几乎直接”地通过大脑收发信息;2015年7月,澳大利亚墨尔本皇家理工大学和美国加利福利亚大学的研究人员通过使用纳米尺度的忆阻器矩阵,制造出了世界上第一个能模仿人脑的电子记忆细胞;当前,DARPA启动了一个新项目,旨在研究“神经重播”在形成记忆和回忆过程中的作用,从而帮助人脑更好地记住具体的偶发事件,更快地学会技能。

脑科学军事应用潜力巨大

脑科学研究具有巨大的潜在军事价值,可直接应用于现代战场的多个领域,包括催生新型脑控武器和智能化装备,提高作战人员知识与作业能力,优化军事训练与决策,改善军人神经与精神损伤的救治,推动心理战的升级等。脑科学的军事应用主要体现在“仿脑”“脑控”和“控脑”三个方面。

“仿脑”,即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。近期“仿脑”的热点领域主要包括开发模仿人脑的神经形态芯片、具备人脑处理功能的仿脑处理器、开发认知计算技术等。这些“仿脑”技术的问世与应用将大幅提高无人系统的智能化水平,还可能给包括云服务、机器人、超级计算机在内的多个领域带来重大变革。

神经形态芯片近期成为最令人瞩目的“仿脑”技术应用,大名鼎鼎的《科学》杂志和美国麻省理工学院《技术评论》杂志均将神经形态芯片评为2014年十大科技突破之一。2013年,瑞士和美国科学家联合研制出了一种脑神经形态芯片,能够实时模拟大脑处理信息的过程;美国陆军研究室通过模拟人脑思考过程开发出一种量子神经元计算机芯片;美国高通公司近期也通过模拟神经结构和大脑处理信息方式开发出了大脑芯片;2014年8月,在美国DARPA项目资助下,IBM公司宣布成功研制第二代类脑计算芯片“真北”,该芯片架构类似人脑,集运算、通信、存储功能于一体,与第一代芯片相比,“真北”神经元由256个增加到100万个,突触数量由26.2万个增加到2.56亿个,包含54亿个晶体管,每秒可执行460亿次突触运算,总功率仅为70毫瓦;2015年,美国加州大学和纽约州立大学石溪分校的一个联合研究小组,首次仅用忆阻器就创建出一个神经网络芯片,从而向创建更大规模的神经网络与人造大脑迈出了重要一步;英国嵌入式处理器厂商ARM与曼彻斯特大学、海德堡大学合作研究的神经形态芯片已经被纳入欧洲人类大脑计划,并得到支持。欧洲方案与美国方案相比,单位面积功耗较高,但神经元模拟更接近生物神经元,因此在模拟大脑方面也被报以更大希望。

在“仿脑”处理器方面,美国DARPA多年来致力于发展能够模拟人脑认知和推理能力的类脑处理器,已经开展了“传感与分析自适应局部学习”等多个项目;2012年,谷歌公司实验室的研究小组通过模拟人脑中相互连接、相互沟通、相互影响的“神经元”,由1000台计算机、1.6万个处理器、10亿个内部节点相连接,形成一个“谷歌虚拟大脑”;2015年,IBM公司利用48块“真北”试验芯片构建了一个“电子大脑”,每一块芯片都可以模拟大脑的一个基本构件,该试验系统可以模拟4800万个神经细胞,基本可以与小型啮齿动物大脑的神经细胞数齐平。

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IBM开发出的神经元计算机原型,它搭载了16颗“真北”芯片

认知计算是一种模拟人的认知、智能和解决问题方式的计算技术。国外主要军事强国以未来军事应用为牵引,积极推进认知技术的发展。例如,美国通过实施自学电子攻击技术、认知无线电台技术、基于认知的协作决策感知认知模型、基于脑电波识别和认知算法的战场威胁探测技术等项目,大力推进认知计算技术在武器装备领域的应用。2014年,美国空军研究实验室授予通用电气公司一份高性能嵌入式计算系统合同,以模拟人类中枢神经系统的信息路径,该系统可推动开发与部署自适应学习、大规模动态数据分析和推理的先进神经形态体系结构和算法。

“脑控”,即通过大脑实现对外界物体或设备的直接控制,减少或替代人类肢体操作,从而提高作战人员操控武器装备的灵活性和敏捷性。近年来,“脑控”应用得到进一步发展:日德研发出了“脑控”车辆;德国慕尼黑工业大学飞行系统动力学研究所首次成功展示了“脑控”飞行;美国明尼苏达大学成功研制出能够用意念控制的四轴飞行器,其躲避障碍物成功率高达90%;英国科学家开发了专门的脑机接口装置来控制飞机和飞船模拟器;美国DARPA开展了名为“阿凡达”的尖端军事科研项目,旨在探索扩展人类机能,获取神经代码进行整合,以控制进攻性武器和系统,DARPA还在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。

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明尼苏达大学脑机接口装置控制飞行器实验场景

“控脑”,即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,其关键是开发能够监测和干预大脑思维活动的信息系统。“控脑”目前产品应用还较少,美国DARPA联合商业机构开展了相关的概念研究,主要包括:通过计算机模拟脑电波控制人体的心理反应和思维,通过特殊频率的无线电波与人体脑电波作用产生催眠效果,神经系统脑电波声音操纵项目等。

结 语

脑科学的发展对于人类了解自身神经精神领域有着重要的价值与意义,同时也具有强大的军事应用前景,将推动军事领域的重大变革。当前,脑科学研发已经成为时代潮流不可阻挡,其大规模进步必将为人类带来一个日新月异的新世界,我们应该及时未雨绸缪,趋利避害。

        

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编辑:Zero

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