一個“美加韓法中”科學(xué)工作者做過的一些事

主編的話：大學(xué)畢業(yè)33年，在川大首次見到竟鳴教授。交流間，他講起科學(xué)探索，滔滔不絕，從中午到晚上……當(dāng)時我想：某天讓我的學(xué)生也聽聽！2016年，竟鳴教授作為成都電子科大特邀長江講座教授回到成都，我請他作為特邀專家參加由西南大學(xué)科教中心主辦的第九屆全國科學(xué)教育論壇。在座無虛席的西南大學(xué)物理學(xué)院報告廳，竟鳴教授深入淺出、循循善誘，將同學(xué)們從布朗大學(xué)引到其在加、韓、法及中國的研究中，原定1小時的發(fā)言被延長至兩個多小時。此文是根據(jù)竟鳴教授現(xiàn)場報告的部分內(nèi)容整理而成，希望老師們讀后有所啟示。

作者簡介：許竟鳴（Jimmy Xu）博士，布朗大學(xué)Charles C. Tillinghast講座教授，布朗大學(xué)工程和物理學(xué)教授，布朗大學(xué)新興技術(shù)實驗室首席科學(xué)家，成都電子科技大學(xué)特邀長江講座教授，首爾國立大學(xué)WCU教授，法國利爾大學(xué)特邀（訪問）教授，美國航天局噴氣推進(jìn)實驗室杰出訪問科學(xué)家（DVS， Distinguished Scientist）， 電子和電器工程學(xué)會會士（IEEE fellow），美國物理學(xué)會會士（APS fellow），美國科學(xué)促進(jìn)會會士（AAAS fellow），英國物理學(xué)會會士（IOP fellow）。

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）3-0001-4

序 言

當(dāng)今科學(xué)研究是那樣的令人神往，使人激動，能讓研究者享受成就、興奮滿足；是那樣的具有影響力，極大地推進(jìn)了社會的發(fā)展、改善了人們的生活。不過，巨大的科技進(jìn)步也常會讓人擔(dān)憂，因為它帶來若干問題，甚至可能改變文化，挑戰(zhàn)人類道德規(guī)范及法律條款等。有時，實驗室所涉及的問題是那樣的重大，以致國與國之間的爭斗都顯得微不足道，并且需要全球攜手、協(xié)同探索，共同面對來自大自然和科技進(jìn)展的重大問題。今天，在新的挑戰(zhàn)與機遇面前，科學(xué)與工程原來相互獨立的基礎(chǔ)學(xué)科再次交疊，相關(guān)的科技成就層出不窮。時代在發(fā)展，科學(xué)在進(jìn)步，而科學(xué)教育好像仍停留在過去的狀態(tài)，教學(xué)方式?jīng)]有多少改變，這將導(dǎo)致科學(xué)教育落后于科技的發(fā)展?？萍佳芯堪l(fā)展需要研究者具有解決多個領(lǐng)域問題的能力，包括處理生理、心理和社會問題的能力?？萍嫉倪M(jìn)步推進(jìn)科學(xué)教育的發(fā)展，而科學(xué)教育的改進(jìn)也可使科技發(fā)展的潛力源源不斷。下面從報告者曾做過的、現(xiàn)在正做的以及今后想做的幾個方面嘗試揭示一些與科學(xué)探索和科學(xué)教育相關(guān)的問題。

1 猴子實驗與納米探針

報告者曾參與一個DARPA項目，DARPA是美國國防部先進(jìn)研究項目局的簡稱，它的部分研究成果對人類產(chǎn)生了極大影響，但同時也給人類帶來了新的挑戰(zhàn)，該項目局曾創(chuàng)造了計算機、互聯(lián)網(wǎng)、導(dǎo)航……

報告者參加的是一個結(jié)合腦神經(jīng)生物、信息和微電子應(yīng)用的若干個團隊合作的項目。實驗中的一個重要環(huán)節(jié)就是把半導(dǎo)體芯片連上探針后直接植入大腦管動作的腦神經(jīng)區(qū)，并和腦神經(jīng)元接觸，把神經(jīng)元里面的電信號取出來，然后在計算機上進(jìn)行圖像神經(jīng)元活動處理。實驗中首先選擇了猴子作為實驗品，首先在猴子大腦控制運動的區(qū)域中植入芯片，將其大腦的活動情況通過探針進(jìn)行探測并且隨時提取。比如：當(dāng)猴子的手向右伸時，大腦的活動分布圖就出現(xiàn)了，于是把這個活動圖存儲于計算機。下一次猴子又想伸右手時（比如在餓了的情況下，給它一個香蕉，它一定會抓的），如果它大腦中的這幅神經(jīng)元活動圖重新出現(xiàn)的話，就可知這幅圖可能表示大腦思維是想指揮這只手向右伸出。如果重復(fù)多次皆如此，那么答案就可確定了。大腦活動圖和猴子意圖一一對照后，下一步就可將猴子的手固定，待其饑餓時在顯示屏呈現(xiàn)香蕉，此時大腦仍在活動，繼續(xù)對比大腦活動圖，多次重復(fù)后即可掌握其規(guī)律。通過對比建立信息關(guān)聯(lián)，可把這些信息通過英特網(wǎng)輸送到另一端。實驗中（圖1），猴子附近有個機械手，當(dāng)猴子想得到那個香蕉，相關(guān)的大腦活動圖像出現(xiàn)，計算機即判斷猴子想伸右手，把相關(guān)的信號傳給機械手，得到信號后機械手就往右伸出拿到香蕉。該實驗成功后紐約時報等多種媒體報道了相關(guān)消息。

■

圖1 猴子實驗

在上述這個項目中，報告者的主要任務(wù)就是研發(fā)約10納米的碳納米管（一根頭發(fā)大概是它的1 000倍），這是世界上最細(xì)的探針。在它上面加上一個蛋白體，當(dāng)?shù)鞍左w與酶作用后，產(chǎn)生的電子可進(jìn)入納米管，再由納米管送到半導(dǎo)體芯片和計算機，這樣就可把大腦活動隨時記錄下來。在實驗中，實驗者期望把這個探針插入到神經(jīng)元（如圖2），獲取信息。人腦中的神經(jīng)元約3～10微米，10納米的探針比神經(jīng)元小1 000倍左右，因此，將其插入到神經(jīng)元是不會干擾神經(jīng)元活動的。如果能做一根探針，當(dāng)然可做2根，200根，……2億根……，這看起來似乎沒有問題，但實現(xiàn)起來仍存在巨大的挑戰(zhàn)。

■

圖2 神經(jīng)元中的納米探針

2 實驗困難及對技術(shù)的挑戰(zhàn)

為什么學(xué)物理的報告者會參與大腦研究呢？從事微電子、納電子研究的有很多是學(xué)物理的。這個領(lǐng)域正面臨一個迫切而實際的問題——連線和熱危機。1947年科學(xué)家發(fā)明了第一個三極管，它的尺寸和手指頭差不多。隨著科技的發(fā)展，芯片的三極管越做越小，數(shù)量越來越多。事實上，每一代計算機技術(shù)的發(fā)展使芯片的三極管數(shù)量翻倍，尺寸縮半，但每一代的技術(shù)成本也會增加兩倍，現(xiàn)在已到了160億美元一條生產(chǎn)線。這樣的投資成本，沒有幾個國家能承受。從商業(yè)角度看，這帶來了關(guān)鍵技術(shù)的壟斷；從技術(shù)角度看，這會對整個科技和國力帶來挑戰(zhàn)。1990年的最高水平是微米級的三極管，最關(guān)鍵的部分僅有1微米。僅過三代后，芯片上就看不到三極管了，看到的都是連線；再三代之后，連線都看不到了，紅外成像看到的只是發(fā)熱圖。到2013年，口袋中的手機里的三極管已經(jīng)小到40納米，比頭發(fā)小1 000倍。這樣的創(chuàng)造與突破是令人震撼的，這完全是一個人造的技術(shù)！但是令人擔(dān)憂的是，這種發(fā)展可能將停止。對該領(lǐng)域的研究者而言，這是災(zāi)難的前景。在前輩幾代手上沒有停止的進(jìn)展，在當(dāng)今研究者手上卻可能停止，這是為什么呢？

對國力和財力雄厚的研究者而言，現(xiàn)在正面臨的大問題不是制造技術(shù)和成本，而是一個熱危機和一個連線危機！其實，大家能從生活中感受這個危機，當(dāng)用手換100 W的白熾燈燈泡時，會感到燙手。然而，現(xiàn)在的芯片大小是1 cm2，承載的功率卻有100 W，如果不把熱去掉，那它產(chǎn)生的溫度足以把芯片熔化。每一代技術(shù)往下走，產(chǎn)生的熱就會翻倍。如果不解決這個問題，下一代就是200 W，這么高的溫度下手機都會冒煙，大的計算機問題也會更嚴(yán)重。而這不是唯一的問題。在一個1 cm2的芯片上已有幾十公里長的連線，下一代翻倍，這是另一個很棘手的問題。如果找不到解決方案，這個問題只會更加惡化。這難道不是危機嗎？現(xiàn)在的世界經(jīng)濟是所謂的信息經(jīng)濟，若這些危機不克服的話，它將成為信息經(jīng)濟發(fā)展的巨大阻礙。因此，我們希望從參與關(guān)于大腦的研究中得到啟發(fā)。

不過，上述危機與大腦有怎樣的聯(lián)系呢？大腦能進(jìn)行那么復(fù)雜的計算，但產(chǎn)熱多少呢？這可用與中學(xué)知識相關(guān)的方式來估算大腦的耗能。首先，把吃飯吸收的熱量換成卡路里，再把卡路里換成電耗能量，然后估算出大腦的耗能。以常人為例，在室溫下，大腦耗能僅為10～60 W左右。在某些問題上，大腦的計算量可與最好的銀河計算機相比，且還能解決銀河計算機不能解決的問題。這是因為計算機只能做部分搜索和序列性的計算，而大腦的計算判斷是綜合性的。相關(guān)技術(shù)雖然不斷更新，科學(xué)不斷發(fā)展，但是芯片和計算機涉及的連線構(gòu)局、方式一直沒有改變。馮·諾依曼設(shè)計了計算機的原理，序列形的信號從信號A到信號B再到信號C，如此傳輸過去再回零，最后輸出。計算量越大用的晶體管越多，這個信號在芯片里的傳輸就越長?，F(xiàn)在芯片里的每個晶體管操作約每秒幾十個億，再乘上幾十個億的三極管，每一次操作回零，這就是手機和計算機的操作。雖然看似神秘，但實際上無非就是每個晶體管充電、放電，每次充電要給能量，每次放電把能量放掉，就變成熱。芯片里的晶體管、傳輸線、產(chǎn)熱每代翻倍，十幾代后就導(dǎo)致了現(xiàn)在的危機。我們都希望有第二個馮·諾依曼出現(xiàn)，他自己在生前也這樣希望，期待能找到第二種連線構(gòu)局信號處理方案來突破連線和產(chǎn)熱的問題。而對大腦的研究也許能為我們提供啟示，這也是學(xué)物理的報告者參與大腦研究的主要動機。

大腦的結(jié)構(gòu)連線、能耗、散熱都不是問題。從大腦研究中我們已知大腦的神經(jīng)元不是A到B、B到C、C到D的連線，也不是一端對一端的線性連接。神經(jīng)元有很多觸端，它們是網(wǎng)狀連接。觀察大腦活動情況后發(fā)現(xiàn)：思維也不是由一個個神經(jīng)元的系列操作決定的，它往往是在一個區(qū)域里同時進(jìn)行的，每一個行為、每一個行動、每一個記憶都是一片一區(qū)或幾區(qū)神經(jīng)單元同時相關(guān)行動和作用。計算機是通過三極管把這一個信息傳遞到下一個，三極管是1到0、0到1的狀態(tài)傳下去，而大腦是多個狀態(tài)同時進(jìn)行。那芯片為何不可以？從物理學(xué)中的熱動力學(xué)可知，噪聲會積累，當(dāng)其大于信號時，信息便無法傳遞，所以馮·諾依曼設(shè)計的連線構(gòu)局方式總讓信號和噪聲每一步都回零，這就是所謂的二進(jìn)序列制。實驗發(fā)現(xiàn)，大腦思維和記憶某種狀態(tài)并非一個單元一個單元參與，而是多個和多區(qū)神經(jīng)單元同時參與的。報告者的實驗室當(dāng)時能做出世界上最細(xì)的探針，他們希望通過用最細(xì)的探針了解更多更細(xì)的大腦的神經(jīng)元活動信息。不過，在實驗中遇到了問題。雖然探針的強度大，但是因為其太細(xì)，在插入大腦皮層的過程中會折彎、分解，因此，現(xiàn)在能插入大腦的還是傳統(tǒng)的微米級的針頭，以提供足夠的力學(xué)硬度和強度（圖3），但這樣得到的大腦的神經(jīng)元活動信息還是粗略的。在這些研究領(lǐng)域有若干突破，但還存在很多困難等待著研究者去攻克。

■

圖3 探針

3 人的實驗及相關(guān)的科學(xué)倫理問題

雖然現(xiàn)在能得到的大腦神經(jīng)元活動信息還是粗略的，但與大腦研究相關(guān)的實驗，已給人類帶來了福音。例如：在相關(guān)的人腦實驗中，有一位自愿者是因神經(jīng)部分被切斷而失去了所有的行動能力，他是理想的實驗人選，因為神經(jīng)系統(tǒng)短時間未使用還沒有完全退化。當(dāng)植入芯片和經(jīng)過訓(xùn)練后，他的眼睛看哪個字母，機械手就幫他打出那個字母，該自愿者通過機械手的幫助現(xiàn)已可發(fā)送電子郵件等。另一位自愿者是位女性，15年前她在自己的花園里工作時暈倒，因腦血栓導(dǎo)致腦梗阻，腦部以下皆癱瘓，語言能力喪失。她自愿作為實驗被試，結(jié)果實驗成功了。如圖4所示，有一個機械手正拿著一罐可樂（上左），在這位女士的思維控制下，機械手將可樂送往女士嘴邊（上右），該女士通過吸管喝到可樂（下左），她開心地笑了（下右）。這位女士已經(jīng)15年沒有自己喝過飲料了，她幾乎喪失了“吸”的能力。實驗中，相關(guān)實驗人員在其后面默默地看著，這位女士不斷努（上接第3頁）力，最后她終于喝到了15年來第一次由自己意愿控制的而不是別人喂的可樂。在她露出開心笑容的同時，見證這一奇跡的實驗工作者及為她做手術(shù)的醫(yī)生們則激動得流淚。

這完全是一個科學(xué)幻想式的探索計劃。在女士癱瘓了15年后，科學(xué)家讓這位女士的愿望變成了現(xiàn)實。為此，她經(jīng)歷了幾個月的訓(xùn)練，計算機要解讀她大腦的活動圖案，這個過程需要多次反復(fù)對比，通過人工智能判斷大腦的活動。但是，這個實驗證明：現(xiàn)在，人的思維至少有一部分是可被攝取的了。這帶來的意義可能是什么呢？一方面給人類帶來了福音，但另一方面則可能讓我們擔(dān)憂。例如：猴子的實驗中，猴子的思維可通過傳輸器、因特網(wǎng)等傳輸?shù)搅硪欢?，控? 000多公里外的機械手抓住一根香蕉；再如，人類已可利用電腦來控制老鼠抬腿或跨步等。這樣一來，人的思維是否也可能被控制？若某人想去傷人，只有意念未有自己個人的動作，這是否也算犯罪？可見，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)影響到了法律條文、道德規(guī)范及國家文化等相關(guān)領(lǐng)域的問題。

總體上看，我們已知關(guān)于大腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的一部分，而將其與世界各地建立的互聯(lián)網(wǎng)比較，其結(jié)果是令人驚訝的。兩者有諸多相似，例如：怎樣連接、連接時所遵循的規(guī)則及獨立的節(jié)點操作、連接度等。

大腦中的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)能自主形成相關(guān)的神經(jīng)元活動態(tài)（感知、思維、記憶、情感……）。那么，是否有一天環(huán)繞地球的互聯(lián)網(wǎng)將像一個巨形人造大腦，如圖5所示，做同類的事情并自主形成相關(guān)的活動態(tài)，發(fā)揮相似的作用，指揮調(diào)動資源分配，并且這一切是在不經(jīng)意中自我創(chuàng)造出來的呢？

這些都是人類應(yīng)關(guān)注的問題，也是人類自己創(chuàng)造和將面臨的挑戰(zhàn)。對此，人類會通過富有創(chuàng)造性的思維和雙手做出新的貢獻(xiàn)。想想，我們目前的教育方法和體制能勝任這一任務(wù)嗎？

（欄目編輯 廖伯琴）