美国脑机接口技术发展及军事应用

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脑机接口(BCI)是一个新兴的技术领域，它是在人或动物脑与外部设备间建立直接通信途径的方法和系统设备，双向脑机接口允许脑和外部设备间进行双向信息交换。迄今为止，BCI在军事领域的公开讨论很少。年8月27日，美国智库兰德公司发布了《脑机接口在美国军事应用中作用的初步评估》研究报告，认为BCI技术很可能在未来的战场上具有实际用途，如提高通信速度，增强环境态势感知能力，并允许操作员同时控制多个技术平台。

由BCI促进的直接脑对脑交流似乎为操作使用提供了最具变革性的应用程序，但也带来了最重大的操作和制度风险。随着世界各国的军方越来越多地将人工智能(AI)和半自主系统纳入其行动，BCI可以提供一种重要的手段来扩展和改进人机协作，但开发和使用BCI技术目前也存在潜在的道德和法律风险。

脑机接口的技术特点

脑机接口(BCI)是一种基于计算机的系统，它能够获取大脑信号，对其进行分析，并将其转换为命令，这些命令会中继到输出设备以执行所需的操作。BCI处理的信号是来自大脑活动的电信号，这些电信号从头皮、皮质表面或皮质中的电极测量。BCI技术使人类能够直接控制机器，而不受身体的物理限制。

BCI工具分为侵入式和非侵入式，非侵入性工具通常使用位于头部附近的传感器来跟踪和记录大脑活动。这些工具可以轻松放置和移除，但其信号较弱，并且不够精确。侵入性BCI工具需要手术。电子设备需要植入颅骨下方，直接进入大脑，以针对特定的神经元组。目前科学家正在开发的BCI植入物很小，可以同时激活多达一百万个神经元。例如，美国加州大学伯克利分校的一个研究团队创造了大约一粒沙子大小的可植入传感器，称之为“神经尘埃”。侵入性工具可能会在大脑和设备之间产生更清晰、更准确的信号。但与任何手术一样，植入它们所需的程序会带来健康风险。

图注：加州大学伯克利分校的研究人员开发的“神经尘埃”可植入传感器

不过现在的侵入性工具也有了新的植入方案。年8月，美国Synchron公司开发的微创脑机接口获得美国食品药品监督管理局(FDA)的人体临床试验批文，取得得重大突破。Synchron开发的StrentrodeBCI设置小巧灵活，可以安全地穿过弯曲的血管，因此Synchron直接利用神经血管平台，即通过颈静脉植入BCI，使用导管手术将技术输送到大脑和脊柱中，在两小时手术内即可安置完成，无需开颅手术就将设备植入了患者大脑内。由于不需要开颅手术，因此这种传感器可以灵活布置在大脑多个位置，从而捕捉各种类型的信号。与传感器相连的BrainPort接收装置植入病人的胸口，它没有内置电池，而是通过无线的方式进行供电以及数据传输，进一步提升了安全性。通过Synchron研发的BrainOS操作系统，可以将传感器读取到的信号转化为与外界交互的通用信号，从而实现用大脑与外界交流沟通。

图注：BrainPort接收装置在胸口位置进行供电及数据传输

美国脑机接口技术发展现状

当前美国大多数BCI军事技术仍处于开发的早期阶段，并由国防高级研究计划局(DARPA)、陆军研究实验室、空军研究实验室和其他组织积极研究和资助。早在年，DARPA就开始组建脑机接口研究团队，此后这一技术的研究长期缺乏突破性进展，其军事应用也缺乏引人注目的亮点。年，DARPA立项研发赋予战斗机飞行员同时操控多架飞机和无人机能力的技术和系统。至年9月，DARPA脑机接口项目负责人宣称：“借助脑机接口技术和辅助决策系统，战斗机飞行员已能同时操控3架不同类型的飞机。”

图注：飞行员利用BCI同时操作三架飞机

目前DARPA有几个正在进行的神经技术开发计划，例如：下一代非手术神经技术(N3)计划，该计划旨在开发具有读写大脑活动能力的非侵入性脑机接口，供健康的军人使用;神经工程系统设计(NESD)计划，旨在开发BCI以恢复受伤服务人员的视力和听力。其他神经技术开发项目由美国空军、美国陆军和美国海军资助。美国陆军作战能力发展司令部(DEVCOM)的一项综合研究强调了未来作战环境的四种神经技术应用，包括视觉和听觉增强、具有程序化肌肉控制的可穿戴外骨骼、通过BCI直接控制武器系统以及脑对脑服务成员之间的交流。美国空军尤其热衷于人机协作，将有人驾驶的飞机和人工智能驱动的无人机无缝连接起来进行空战，开发项目包括空军的“下一代空中优势”(NGAD)第六代战斗机，以及Skyborg计划为“忠诚的僚机”无人机开发基于人工智能的大脑。

图注：布朗大学Nurmikko实验室开发的由数千个无线“神经元”组成的可植入神经假体该小组正致力于创建一个“皮质内联网”，每个神经元都独立运行

DARPA

年，DARPA选择了Battelle和包括约翰霍普金斯大学应用物理实验室在内的一共6个团队来开发N3神经技术研究计划，试图将人脑与军事设备联系起来。N3旨在为美国军方提供高精度的双向脑机接口系统，使服役人员能够与计算机系统进行通信，并管理网络系统和成群的无人机。如果N3成功，这种可穿戴神经接口系统可以在几毫米的范围内与大脑进行通信，这种设备不需要手术植入，可以使用光学、声学或电磁学来读取神经活动或在大脑和设备之间发送信号。

年12月，Battelle公司表示该团队将负责N3计划的第二阶段，并为其基于磁电纳米换能器(MEnT)的BCI概念提供成熟的设计方案，该技术需要在神经组织中注射MEnT，然后由磁铁引导到大脑中的目标位置。

图表：NESD目标系统性能指标

资料来源：DARPA

DARPA也是年由美国国立卫生研究院(NIH)发起的“通过推进创新神经技术进行脑研究(BRAIN)”计划的关键参与者，该计划旨在提高对人脑的理解。与BRAIN相关的计划是“神经工程系统设计”(NESD)，该计划旨在开发一个接口，该接口可以读取神经元，写入神经元，并与神经元双向交互，其规模远远超过现有神经技术的可能性。要取得成功，NESD需要跨学科的综合突破，包括神经科学、低功耗电子学、光子学、医疗设备封装和制造、系统工程和临床测试。除了硬件之外，NESD执行团队正在开发先进的数学和神经计算技术，首先在电子和皮层神经元表示之间转码高清感官信息，然后以最小的保真度和功能损失压缩和表示这些数据。如果该计划成功，这项工作有可能显著提高科学家对视觉、听觉和言语神经基础的理解，并最终可能为患有感觉缺陷的受伤军人提供新的治疗方法。此外，NESD工具可以对高度集成的神经电路的架构和处理产生新的理解。

约翰·霍普金斯大学应用物理实验室

约翰·霍普金斯大学展示通过在混合现实环境中整合神经刺激来“感受”虚拟物体的能力

年6月，美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的研究参与者通过脑机接口成功触摸和感受虚拟物体，该研究是由美国国防高级研究计划局(DARPA)资助的神经增强操作(NEO)项目的一部分。该研究的参与者在17岁时遭受了脊髓损伤，被诊断为不完全四肢瘫痪，手臂和手部保留了一些运动功能和知觉。年，医院接受了12小时的脑部手术，成为第一个在大脑的两个半球植入慢性微电极阵列的研究参与者。通过实验室构建的虚拟感知系统，试验参与者可以通过HoloLens看到和操纵的虚拟对象，这种感知模式超过触觉感知，目前甚至可以加入增强视觉和听觉，未来甚至还可以加入嗅觉、味觉或本体感觉。这种直接的神经输入会直接改变现在的触觉手套等不完美的VR解决方案。

图注：Neuralink公司脑机接口结构以及神经信号解码方式

Neuralink公司

美国Neuralink公司正试图开发一种完全植入的、无线的、高通道数的脑机接口(BMI)，目标是让瘫痪的人能够直接使用他们的神经活动，快速、轻松地操作计算机和移动设备。年7月Neuralink公司展示了一款产品：用一台神经手术机器人，在脑部28平方毫米的面积上，植入96根直径4～6微米的“线”;外部设备通过USB接口与植入部分连接。Neuralink公司声称已经成功读取小鼠和猴的大脑信号。

年8月Neuralink公司的展示增加了新的内容。马斯克向现场观众介绍了一只大脑中植入脑机接口设备的小猪。神经链接公司展示的最新脑机接口的功能仍很简单：可以直观观察小猪大脑活动的电波信号，设备和系统可以根据小猪的脑电波信号，对小猪的下一步运动进行准确预测。这意味着新的脑机接口产品不仅能够从大脑中获取信息，还能进行初步的信息解码和理解判读。

MindPong演示视频，视频中的操纵杆处于完全断开连接的状态

年4月Neuralink公司的最新演示中，一只9岁的猕猴正在玩“MindPong”。这只猴子体内植入了一个Neuralink界面，让他可以只用他的头脑来玩游戏(因此，命名为MindPong)。该视频演示开始比较简单，猕猴用操纵杆左右移动光标到屏幕上的目标。当猕猴进行这项活动时，Neuralink芯片会记录猕猴的神经元活动并将数据输入解码器算法，使研究人员能够实时预测猕猴的“预期手部动作”。在对神经元活动与相应操纵杆运动之间的关系进行研究和建模后，就可以去掉操纵杆直接使用解码器的输出移动光标，基本上使猕猴能够通过神经元活动来控制光标。视频继续展示了一个场景，其中猕猴继续使用操纵杆来准确地将光标移动到目标周围，但是操纵杆完全断开连接，猕猴是用完全解码的神经活动控制光标。

BrainGate

斯坦福大学、霍华德休斯医学研究所和布朗大学的科学家开发了一种植入式脑机接口技术(BrainGate)，该技术使用人工智能将某人将手写过程可视化时产生的大脑信号真实地转换为计算机上的文本。年5月，该团队报告了一项试验，在该试验中，一名植入BCI设备的瘫痪临床试验参与者能够通过仅考虑创建书面字母所涉及的手部动作在计算机上“输入”单词。该软件有效地解码了来自BCI的信息，以快速将这个人关于手写的想法转换为计算机屏幕上的文本。在报告的研究中，这位65岁的男性参与者的打字速度达到了每分钟90个字符，是之前使用脑机接口打字记录的两倍多。

图注：尝试手写的神经表示

a，为了评估尝试手写的神经表征，参与者T5尝试按照计算机屏幕上给出的说明一次手写一个字符(底部面板描绘了屏幕上显示的内容，遵循时间线)。b，前3个主成分(PC)中的神经活动显示为三个示例字母(d、e和m)和每个字母的27次重复试验。色标在每个面板内分别标准化以进行可视化。c，时间扭曲神经活动以消除书写速度的反复试验变化揭示了每个字母独有的一致活动模式。在c图中显示了字母“m”的示例时间扭曲函数，并且相对靠近标识线(每个试验的扭曲函数用不同颜色的线绘制)。d，显示了所有31个测试字符的解码笔轨迹。使用交叉验证(保留每个字符)从神经活动中线性解码预期的2D笔尖速度，并且解码器输出通过跨试验平均去噪。橙色圆圈表示轨迹的开始。e，使用t-SNE制作的神经活动的2D可视化。每个圆圈是一个单独的试验(31个字符中的每一个都显示了27个试验)。

斯坦福大学的Shenoy团队还设想将该手写BCI技术扩展成为更全面的系统，该系统包括指向和点击导航，很像当前智能手机上使用的导航，甚至尝试语音解码。

图注：实时对尝试手写的神经解码

a，解码算法示意图。b，显示了两个实时示例试验。

加州大学旧金山分校

年7月，美国加州大学旧金山分校(UCSF)的一项研究，利用脑机接口技术帮助一位严重瘫痪的失语男子恢复了“说话”能力。该成果以NeuroprosthesisforDecodingSpeechinaParalyzedPersonwithAnarthria为题发表在《新英格兰医学杂志(NEJM)》上。

脑机接口用于解码患有失语症的瘫痪者的语言

该实验第一名参与者是一位30岁的男子，他在20岁时因严重的脑干中风，导致瘫痪并失语多年，平时只能通过控制辅助计算机的打字接口与人沟通。这名代号为BRAVO1的参与者与研究人员合作，建立了一个50个单词的词汇表，然后研究人员通过外科手术在参与者的大脑中植入一个电极阵列，以获取大脑信号。为了测试这一方法是否有效，BRAVO1在佩戴上脑机接口以后被问到“你今天怎么样?”他回答：“我很好”。还有“你想喝点水吗?”他的回答是，“我很好”和“不，我不渴。”结果发现，研究人员根据参与者的皮质活动实时解码句子，准确率高达93%(中位数为75%)。促成这一成功的是Moses应用的一种语言模型，它实现了“自动更正”功能，类似于消费者发短信和语音识别软件所使用的功能。

该研究成果是第一个成功将瘫痪失语者的大脑活动直接解码成语言的例子。

未来军事应用情景分析

事实上当前的BCI技术与军事领域的技术发展尤其是军用人工智能领域的发展方向十分契合。

在人机交互领域，未来战场逐步变成无人化战场，战场中的作战装备与指挥中心的作战人员面临庞大的信息交互工作，人机决策涉及将数据从传感器传输到人脑，从大脑传输到机器，BCI工具允许作战人员更快地消化更多信息，例如用于战区评估或风险和威胁评估。作战人员最终可以打破当前的OODA循环，加快整体反应时间。而借助BCI的人机直接系统控制则可以使作战人员以无线方式控制系统，监督半自主和人工智能系统，包括机器人、无人机、无人机群或喷气式飞机，为作战人员提供更高的态势感知能力。

图注：兰德公司设计的BCI技术军事应用的游戏模型

此外，BCI技术对人机交互之外的领域也会产生影响。如人与人之间的通信和管理，使用BCI设备可以使作战人员和指挥官之间无线传输命令或基本思想，减轻通信系统的负担，这可以促进战场上计划或战术的即时和无声沟通，或改善与总部的沟通，以提高指挥官对战区状况的认识。这种数据传输方式还可以了解团体或个人的情绪、认知和身体状态，从而检测一个人何时疲劳、注意力集中、认知工作量高或低，或者压力很大。这对士兵的认知和身体表现的会有显著的增强，包括改善战士在战场上的认知和身体状态。通过BCI对作战人员进行培训，可以改善操作员的学习和记忆处理，使作战人员能够保留更多信息。

图注：BCI技术可能对士兵能力产生的影响

兰德公司发布的《脑机接口在美国军事应用中作用的初步评估》报告总结的脑机接口军事应用则如下：

协助操控各类无人装备

协助操作员更准确、高效地操控无人机、无人车和作战机器人;

操控无人装备和机器人代替人类战士深入危险地区或高危场合执行各种高危任务，以及在人类不适宜长期停留的环境中工作;

通过脑机接口控制外骨骼强力机器人，以加强人类战士在作战中所需的体力。

此类应用已在实验室和实战中被验证具有可行性和有效性。

借助脑机接口进行更高效和更保密的军事通信

保密与窃密是军事通信对抗的关键领域。未来若脑机接口用于军事通信的技术获得成功，将颠覆现有通信技术的运转模式。此前的通信解密都是在得到对方通信信号的基础上，依据共同、公开的技术知识进行解密。因为对抗双方的数学基础是共同的，差距基本体现在加解密算法上。理论上只要有足够的时间，任何加密算法都可以被破译。而脑机接口通信，可能在通信双方的主体意识尚未明确时通信就已经完成;所以，不仅对方通信信号难以得到，即使得到信号，也缺乏解密所需的技术知识。因为相关技术尚未形成通用公共知识基础。

应用脑机接口提高作战人员的认知能力

现代战争战场情况复杂多变，未知因素和突发状况增多，需要更加全面地监视战场和获取战场态势、更加快速地获取战场情况和更加准确地做出判断，并尽快做出决策和进行反击;而其中最为关键的一环，就是更加快速、高效、准确地完成对战场态势的正确认知。

美军依据伊拉克战争和阿富汗战争的经验，进行了一个实验：美陆军第3骑兵团的士兵在第82战斗航空旅的CH-47支努干直升机的配合下执行巡逻任务。第3骑兵团的一个徒步小队突然遭遇躲在建筑物窗后的敌人猛烈的袭击，在徒步士兵尚未来得及报告和呼救之时，CH-47支努干直升机快速抵达现场，汇总来自各方的数据并快速处理之后，向躲在建筑物内的敌人展开猛烈攻击，并将战场态势实时传递给徒步小队的士兵和指挥部。

达成这一战场效果，得益于美军科学家研发的一套包含脑机接口的系统，包括集成到士兵所佩戴眼镜中的移动式眼动追踪传感器，和可以测量士兵脑电波的传感器，当士兵的视觉与战场环境接触时，系统会自动地识别出与任务相关的物体与活动;随着系统汇集和积累来自士兵脑电波信号不断增多，先进的人工智能算法已经进行综合复杂的分析运算，从而了解士兵的意图，形成清晰的特征提取和更高层次的情感状态。甚至在士兵意识到它所看到的对象之前，脑电波信号已经被检测和传输;在士兵做出反应之前，攻击直升机已经展开攻击。

脑机接口的军事应用风险分析

与大多数重大技术进步一样，BCI技术也存在潜在风险，如产生新的军事行动漏洞、新的道德和法律风险领域，以及对现有军事组织结构的潜在深远影响。当前主流的BCI技术，如Neuralink公司的脑机接口，距离在人体推广使用还有巨大的技术差距。将脑机接口用于军事领域，不仅面临同样的技术难题，而且必将遭受严厉的伦理诘难。

健康风险

“侵入式”方式隐含破坏原有脑组织和健康的巨大风险。已有的“侵入式”脑机接口通常由金属材料制成、体积不管如何细小，相较神经元都显得很大，容易造成脑内组织损伤，进而触发免疫反应和引发愈伤组织的形成，亦称“植入感染”，可能引发大脑的癫痫病变。

技术障碍

当前BCI技术的发展也面临着几个关键挑战。

首先，大脑活动中的内在神经生理学不稳定性对提高BCI系统的效率提出了关键挑战。BCI系统的主要组件是信号采集、信号处理和转换器设备，目前公认有效的BCI设计需要具备四个特性：低成本、便携、易维护，很少或不涉及手术。当前主流的信号采集方式包括事件相关电位(ERP)、稳态视觉诱发电位(SSVEP)、听觉诱发电位(AEP)、稳态体感诱发电位(SSSEP)和运动意象(MI)，但没有一种方法对所有BCI应用程序都表现良好。其次，基于头皮的传感器会受到皮下组织中探测源信号强度的限制，这对传感器的性能也提出挑战。

图注：ERPBCI工作模式

此外，硬件方面，BCI的信号处理和转换器也面临问题，需要采集信号的模式选择对应的估计模型参数特征集的维度以获得最佳性能，还必须权衡数据的偏差和方差，并且可能涉及对参数估计进行正则化。

其他风险

不管BCI领域的科学技术突破如何，都存在与安全、道德、隐私保护和数据保密、社区接受度和社会经济方面有关的关键因素，因此需要采取足够的预防措施加以考虑，以最大限度地降低相关风险。

总结

脑机接口技术的军事应用，能够涵盖战场态势感知、信息处理与决策、军事通信保密、战场反应与攻击，以及对作战平台和作战行动的指挥控制等关键军事功能。美军科学家认为，这使得人工智能武器系统成为了人类的队友，而不仅是工具。然而，脑机接口的军事应用，到底是人类智力、脑力的拓展延伸，还是走向人机一体、人机合一，尚难定论。（北京太阳谷咨询有限公司研究员张杰）

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