信息交互的“濕藝術(shù)”

姜申 李崢

摘 要：腦在計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)中被稱為“濕件”，是相對(duì)于“硬件”——即無(wú)機(jī)計(jì)算系統(tǒng)而言的“有機(jī)計(jì)算中樞”。二者都是電荷的承載基質(zhì)：一個(gè)基于數(shù)字電信號(hào)，一個(gè)基于生物電信號(hào)。人工智能時(shí)代的到來(lái)，使硬件智慧大幅提升;為平衡差距，腦機(jī)接口（BCI）的研究突然加速。侵入式與非侵入式腦機(jī)接口的較量在2019年進(jìn)入白熱化，其進(jìn)路分化與目的性分層漸趨明朗。美國(guó)能否抓住BCI的戰(zhàn)略機(jī)遇，在信息“濕件”領(lǐng)域追趕5G“硬件”，實(shí)現(xiàn)彎道超車。

關(guān)鍵詞：腦機(jī)接口;BCI;“濕件”;人機(jī)界面;交互

中圖分類號(hào)：TP3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-8122（2020）05-0004-04

腦機(jī)接口（Brain-Computer Interface，BCI）也被稱作“腦機(jī)融合感知”，指在生命體腦部器官與電子硬件設(shè)備之間建立有線或無(wú)線通路，以進(jìn)行信息傳遞甚至信息交換的科學(xué)概念。近年來(lái)，腦機(jī)接口已從科幻作品中無(wú)邊際的幻想逐漸落為技術(shù)現(xiàn)實(shí)。本文所指的腦機(jī)接口是一個(gè)科學(xué)議題，這里的“腦”指生命體內(nèi)部構(gòu)成思維的“神經(jīng)元”及其腦波，而非“意念”;“機(jī)”指非生命形態(tài)（特別是電子電路及芯片）所構(gòu)成的硬件系統(tǒng)。腦在計(jì)算機(jī)術(shù)語(yǔ)中被稱為“濕件”，是相對(duì)于“無(wú)機(jī)計(jì)算系統(tǒng)”而言的“有機(jī)計(jì)算中樞”。二者的相似之處在于：它們都是電荷的承載基質(zhì)，一個(gè)基于數(shù)字電信號(hào)，一個(gè)基于生物電信號(hào)。它們都在電荷運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)換過(guò)程中完成信息的編碼、過(guò)濾、整合，最終實(shí)現(xiàn)運(yùn)算結(jié)果或思維判斷的指令輸出。以“比特”為單位的數(shù)字電信號(hào)和以“神經(jīng)元突觸”為傳導(dǎo)的生物電信號(hào)都是計(jì)算與思維系統(tǒng)中反映消息的物理量。由于具有共通性，長(zhǎng)久以來(lái)人們總希望有機(jī)構(gòu)成的“濕件”能夠與無(wú)機(jī)構(gòu)成的“硬件”及“軟件”相互貫通，以提升各自性能。

一、應(yīng)對(duì)人工智能的隱憂

最近幾年，人們對(duì)“實(shí)現(xiàn)貫通”的希望日益迫切。原因在于人工智能（AI）的發(fā)展熱度急劇提升。計(jì)算機(jī)硬件的“智慧能力”被愈加強(qiáng)化，一時(shí)間，機(jī)器思維超越人類的聲音不絕于耳，引起社會(huì)憂慮。以科技探索的先鋒式人物埃隆·馬斯克（Elon Musk）為代表的一部分人開(kāi)始呼吁：關(guān)注人工智能給人類帶來(lái)的潛在威脅。他說(shuō)：“通過(guò)人工智能，我們正在召喚惡魔”“并非所有的AI期貨都是良性的”“我們有一天會(huì)發(fā)現(xiàn)自己生活在專制控制下，獨(dú)裁者正是我們創(chuàng)造的機(jī)器人霸主”[1]。2017年7月15日，在美國(guó)由各州聯(lián)邦組成的“國(guó)家執(zhí)政者協(xié)會(huì)”（National Governors Association）例會(huì)上，馬斯克透過(guò)演講不斷重申他對(duì)人工智能的長(zhǎng)遠(yuǎn)憂慮[2]。這說(shuō)明對(duì)人工智能擔(dān)憂的探討已經(jīng)上升到國(guó)家政治的層面。

“人工智能必將對(duì)其他物種構(gòu)成威脅。如果AI變成了這樣一個(gè)最高智能物種，而它又不屬于人類，它具有自我意識(shí)，那人類就被歸入‘其他物種的類別了?！币簿褪窃谀莻€(gè)時(shí)候，馬斯克為應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)創(chuàng)立了“Neuralink”，一個(gè)以腦機(jī)接口為對(duì)象的科研企業(yè)。在他看來(lái)，“AI的崛起只是時(shí)間問(wèn)題，在那一天到來(lái)之前，人類務(wù)必要避免自己落入‘其他物種的境地。在AI與其他所有物種共存的未來(lái)，人類只有一個(gè)選擇，就是成為AI”[3]。 至此一晃，兩年已過(guò)。2019年夏末，馬斯克高調(diào)宣布他的公司已經(jīng)找到貫通腦機(jī)的連接方法，即通過(guò)機(jī)器人實(shí)施腦神經(jīng)手術(shù)，在頭部執(zhí)行無(wú)痛、微創(chuàng)的導(dǎo)線穿刺，在顱腦中植入芯片并透過(guò)芯片接口與外界的電子設(shè)備相連，以讀取腦部信息。在這一名為“腦后插管”的新方法中，蘊(yùn)含著以下幾項(xiàng)技術(shù)突破。

其一，是發(fā)展出用于執(zhí)行“插管”手術(shù)的機(jī)器人，其技術(shù)可用激光對(duì)腦部表皮及皮下組織（包括頭骨）實(shí)施穿刺鉆孔，繼而將導(dǎo)線、電極快速植入。植入速度為每分鐘6根線。這樣無(wú)需開(kāi)顱、創(chuàng)面極小的神經(jīng)外科機(jī)器人手術(shù)可將手術(shù)時(shí)間控制在45分鐘左右，并可以避開(kāi)腦部血管，以減少術(shù)后炎癥的反應(yīng)率。

其二，是研發(fā)特殊材料的導(dǎo)線。這種導(dǎo)線的直徑只有4～6微米，比人類發(fā)絲要細(xì)很多，其中含有兩層導(dǎo)體和三層絕緣體。它的作用，一方面，是確保腦機(jī)接口內(nèi)外的信息連通;另一方面，是承載與腦神經(jīng)相接觸的“電極”，或被稱為“超細(xì)薄膜材料制造的、具備生物相容性的微神經(jīng)探針”[4]。手術(shù)最多可植入3 072個(gè)電極（在老鼠身上試驗(yàn)時(shí)），它們分布在96根導(dǎo)線上（每根線上有32個(gè)獨(dú)立電極）。與1998年（1998年）布朗大學(xué)的約翰·多諾霍（John Donoghue）教授實(shí)施的早期腦機(jī)結(jié)合試驗(yàn)（BrainGate）相比，現(xiàn)在的電極分布效率是極高的。布朗時(shí)期的探頭通道最多只有128個(gè)電極，電極越多意味著可以收集更周全的腦部數(shù)據(jù)。導(dǎo)線的材料也有了飛躍，新型導(dǎo)線具有靈活的韌性而不像布朗時(shí)期所使用的硬針。線材的柔性可延長(zhǎng)導(dǎo)線壽命、跟隨腦部移動(dòng)。

其三，是開(kāi)發(fā)專用的集成電路（電子芯片），由處理器、連接電極的聚合物導(dǎo)線、負(fù)責(zé)供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB-C接口及外殼組成。處理器的作用是放大信號(hào)，將模擬生物電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)并抑制噪聲。在微功耗、微尺寸的極端環(huán)境下對(duì)微弱的神經(jīng)信號(hào)進(jìn)行采樣和加工，并實(shí)施高密度、多通路信息記錄，還要防止芯片被體液侵蝕或引起身體不適，這些都對(duì)芯片的制造提出嚴(yán)苛要求。

當(dāng)然，如集成芯片的固定、電源的匹配、腦機(jī)接口的工作時(shí)長(zhǎng)、信號(hào)輸出的有線與無(wú)線方案等，尚未明確。這說(shuō)明項(xiàng)目還處于初步的方法驗(yàn)證階段。但從發(fā)布的視頻看，植入這項(xiàng)技術(shù)的動(dòng)物（鼠或猴子）已經(jīng)可以用腦神經(jīng)控制自己，在計(jì)算機(jī)模擬的三維空間進(jìn)行方向移動(dòng)。這種用意念控制自身狀態(tài)的交互方式，遠(yuǎn)比觸控交互來(lái)得自然。目前，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)遇到發(fā)展瓶頸，原因之一便是主體性感觀沉浸與非自然的它者化觸控之間所形成的界面感知矛盾。腦機(jī)接口透過(guò)腦神經(jīng)實(shí)施意念操控，可以大大克服交互體驗(yàn)中非自然界面所帶來(lái)的障礙。腦機(jī)接口在交互動(dòng)畫(huà)、三維游戲或幫助癱瘓病人重獲操控力方面都有巨大潛力。

二、腦機(jī)接口的進(jìn)路分化

當(dāng)然，腦機(jī)接口（BCI）的探索并不是Neuralink一家獨(dú)大。2017年，幾乎與Neuralink同時(shí)步入腦機(jī)融合領(lǐng)域的還有Facebook。后者于2017年4月首次宣布其BCI研發(fā)計(jì)劃。2019年夏，在馬斯克攜Neuralink發(fā)布技術(shù)突破后僅兩周，F(xiàn)acebook也迫不及待地公布了自己的BCI研究成果。激烈的研發(fā)競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)開(kāi)始。

Neuralink與Facebook的競(jìng)爭(zhēng)，代表著B(niǎo)CI技術(shù)的兩個(gè)截然不同的發(fā)展路徑。前者青睞于“侵入式”BCI技術(shù)，即通過(guò)外科手術(shù)使電極與神經(jīng)元產(chǎn)生實(shí)際的物理連接;后者則力主“非侵入式”可穿戴方案，即透過(guò)佩帶腦電圖或其他腦波感應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)腦信息交互。這兩種技術(shù)路徑在很早前就已確立，美國(guó)各大學(xué)實(shí)驗(yàn)室也早已分成兩派、各自探索;但真正吸引頂級(jí)資金、頂級(jí)科研團(tuán)隊(duì)展開(kāi)公開(kāi)的研發(fā)較量，始于2019年夏季。兩種BCI進(jìn)路的區(qū)別在于以下幾點(diǎn)。

首先，二者感知的腦部意念層次不同。侵入式BCI主要對(duì)腦部神經(jīng)元的綜合意念進(jìn)行感知和分析，所以它的意念感知域比較廣（包括思維、肌肉運(yùn)動(dòng)等多個(gè)側(cè)面）;非侵入式BCI研究的核心是語(yǔ)言功能區(qū)，目前其大部分精力是針對(duì)語(yǔ)言意念層面的腦電感知（類似于“意念打字”）。后者在研究范疇上有所縮小，但利于深耕。與Facebook合作的加州大學(xué)舊金山分校BCI團(tuán)隊(duì)最近已證明：使用非侵入式設(shè)備在“人們說(shuō)話時(shí)記錄的大腦皮質(zhì)活動(dòng)，可以用來(lái)完成實(shí)時(shí)解碼，并將文字呈現(xiàn)于電腦屏幕上”。甚至宣稱：“再過(guò)不久，我們僅靠意念就可以打字聊天、向計(jì)算機(jī)發(fā)出指令了”[5]。

其次，二者在探測(cè)精度與安全性方面陷入悖論。普遍認(rèn)為，植入式觸點(diǎn)（電極）的探測(cè)精準(zhǔn)度要比非植入式的頭皮貼片（或頭帶）高得多，能夠識(shí)別更加復(fù)雜的神經(jīng)指令;但手術(shù)植入的安全性大打折扣，消費(fèi)心理的畏懼感陡然增大。目前面向消費(fèi)市場(chǎng)的產(chǎn)品都是非侵入式BCI。

再次，實(shí)驗(yàn)路徑不同。由于侵入式BCI對(duì)生命體有顯性破壞效果（開(kāi)顱），手術(shù)實(shí)驗(yàn)多在鼠類或猴子身上實(shí)施，技術(shù)穩(wěn)定后才能在人體上進(jìn)一步驗(yàn)證。而非侵入式BCI對(duì)身體的看見(jiàn)損傷幾乎為零，一開(kāi)始便應(yīng)用于人體，已積累大量的人腦采樣數(shù)據(jù);并已同步應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、教育、新媒體、藝術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域，可以邊研究、邊應(yīng)用，進(jìn)展速度較快。

最后，就地緣文化差異來(lái)看，對(duì)語(yǔ)言更為依賴的非侵入式BCI，在短時(shí)間內(nèi)給非英語(yǔ)交流國(guó)家的用戶可能帶來(lái)消費(fèi)阻力，繼而產(chǎn)生新的“知溝”。

對(duì)語(yǔ)言差異的擔(dān)憂為時(shí)尚早。目前非侵入式BCI的技術(shù)目標(biāo)只是分辨1 000個(gè)單詞，分辨速度每分鐘100字，錯(cuò)誤率低于17%。事實(shí)上現(xiàn)有的技術(shù)與這些指標(biāo)還有一定差距。真正的未知數(shù)，在于侵入式BCI于2020年進(jìn)入人體試驗(yàn)階段時(shí)，能帶來(lái)多大的驚喜。

三、目的性分層

從研究目的與目標(biāo)看，對(duì)腦機(jī)接口的期待，在時(shí)間線上有明顯的層次遞進(jìn)，我們稱為目的性分層。

就“短期”目的看，生存是科研得以繼續(xù)的保證。因此，鞏固BCI技術(shù)的實(shí)用價(jià)值、提升讀取性能、使人們看到未來(lái)的潛力——即所謂鼓舞士氣（包括投資人、用戶和科研伙伴）尤為重要。接著就是推動(dòng)科研與量產(chǎn)并行發(fā)展，馬斯克尤其強(qiáng)調(diào)Neuralink要為醫(yī)療的急迫需求生產(chǎn)設(shè)備。只有更早地進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，才可以獲得更多的科研數(shù)據(jù)和用戶支持。標(biāo)準(zhǔn)化，也是短期目標(biāo)的一部分，如手術(shù)機(jī)器人、電極導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等。這是為了積累技術(shù)、提高競(jìng)爭(zhēng)門(mén)檻，也為大規(guī)模量產(chǎn)和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

再長(zhǎng)遠(yuǎn)一點(diǎn)看， BCI的“近期”研究目的趨向于將技術(shù)看作是體內(nèi)計(jì)算機(jī)（異物植入），通過(guò)硬件的幫助來(lái)實(shí)現(xiàn)腦信息單向輸出、準(zhǔn)確識(shí)別、意念施控，以提升人機(jī)交互界面的自然屬性。

“中期”目的則基于生物電信號(hào)與數(shù)字電信號(hào)的雙向信息連通與融合，將人類“濕件”與電子“軟硬件”合二為一，看作是有機(jī)生命的一個(gè)整體，著力提升有機(jī)整體的環(huán)境交互能力與生活質(zhì)量。即修復(fù)機(jī)體的操控缺陷、改善大腦運(yùn)行效率、增強(qiáng)思維算力和記憶力、溝通腦機(jī)實(shí)現(xiàn)互動(dòng)。到那時(shí)，日趨成熟的BCI技術(shù)將與各種視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等可穿戴設(shè)備相結(jié)合，全面改善人體感觀和各方面信息通路。

而B(niǎo)CI的“遠(yuǎn)期”目的會(huì)把拓展人的思維能力、智慧水平看作重要方向。思維能力的延展，體現(xiàn)在記憶精度、計(jì)算能力及領(lǐng)悟力方面，更重要的是打通“人機(jī)”與“人際”之間的界限，即在人與人、人與機(jī)器之間形成“思維共在”。畢竟，與機(jī)器共同成長(zhǎng)，才能確保人工智能為我所用。當(dāng)然，以今天的智慧水準(zhǔn)看，打通思維界限意味著暴露個(gè)人隱私，會(huì)陷入倫理焦慮與恐慌。但那是非常遙遠(yuǎn)的事，那時(shí)的社會(huì)狀況、人際關(guān)系和心智水平都會(huì)大大超越今天，大可不必杞人憂天。

四、機(jī)遇與展望

新的技術(shù)，亦帶來(lái)重要的戰(zhàn)略機(jī)遇。這對(duì)于站在民族復(fù)興與技術(shù)趕超之路上的中國(guó)尤為關(guān)鍵。Neuralink與Facebook都是腦機(jī)接口的重要科研主體，其目的性相似，而研究路徑與實(shí)驗(yàn)方法各異。從美國(guó)宏觀的技術(shù)戰(zhàn)略意義上看，實(shí)現(xiàn)了雙管齊下的多層次研究布局，為新技術(shù)的引領(lǐng)占據(jù)了有利地形。從實(shí)力上看，不論歐洲、東亞還是中東（以色列）都沒(méi)有實(shí)力在BCI領(lǐng)域與美國(guó)進(jìn)行角逐。就中國(guó)來(lái)看，BCI研究正日益受到重視，清華大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期在腦機(jī)結(jié)合與腦電磁探索方面積累經(jīng)驗(yàn)。其團(tuán)隊(duì)和解放軍總醫(yī)院合作的微創(chuàng)腦機(jī)接口研究，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際臨床植入階段。胥紅來(lái)、黃肖山等人創(chuàng)建的神經(jīng)科技企業(yè)（博?？担┮勋@得多輪投資。其研發(fā)的多通道腦電磁分析系統(tǒng)（EEG/ERP）已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外科研、醫(yī)療領(lǐng)域。孵化于哈佛大學(xué)的華人BCI企業(yè)BrainCo已落地深圳并實(shí)現(xiàn)非侵入式BCI設(shè)備的研發(fā)和量產(chǎn)。

可以說(shuō)，中國(guó)在BCI領(lǐng)域的參與是積極而活躍的。但一方面，我們還處于技術(shù)跟隨狀態(tài)，并沒(méi)有做到領(lǐng)先;另一方面，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)BCI的基礎(chǔ)研發(fā)投入也大大落后于歐美。一點(diǎn)開(kāi)花，尚難以形成呼應(yīng)。大部分國(guó)人對(duì)腦機(jī)融合的認(rèn)識(shí)還停留在科幻的印象里，沒(méi)能夠上升到國(guó)家戰(zhàn)略的高度來(lái)關(guān)注BCI。當(dāng)然，面對(duì)美國(guó)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，亦不能妄自菲薄。不論國(guó)外研究多么領(lǐng)先，其探索仍停留在解決“神經(jīng)界面”的初步階段;BCI真正爆發(fā)的基礎(chǔ)是“神經(jīng)解碼”，這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)競(jìng)爭(zhēng)尚未開(kāi)始。

現(xiàn)在提國(guó)家戰(zhàn)略，是因?yàn)橛星败囍b。20世紀(jì)80年代美國(guó)曾與日本因消費(fèi)級(jí)影視硬件產(chǎn)業(yè)展開(kāi)技術(shù)戰(zhàn)。那時(shí)日本憑借錄像機(jī)與錄像帶產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)，霸占全球家庭影像市場(chǎng)。他們沿著線性邏輯，在模擬電視領(lǐng)域搞超精細(xì)顯像技術(shù)，精度達(dá)到頭發(fā)絲的十分之一。松下、日立、索尼等廠商將大筆資金投入高清錄像機(jī)、高清顯像管的研發(fā)中，卻在光存儲(chǔ)（可視光碟）領(lǐng)域陷入與歐洲的競(jìng)爭(zhēng)，隨后被美國(guó)的數(shù)字影像格式與互聯(lián)網(wǎng)傳輸格式徹底擊敗。當(dāng)自己建立的技術(shù)發(fā)展邏輯與標(biāo)準(zhǔn)被他人超越時(shí)，美國(guó)的思想往往是以創(chuàng)新“彎道超車”。這說(shuō)明，走單一的技術(shù)路線是不行的。今天中國(guó)把5G視為國(guó)家戰(zhàn)略，沿著2G跟隨、3G突破、4G同步、5G引領(lǐng)、未來(lái)6G創(chuàng)造輝煌的線性邏輯大步挺進(jìn)。我們?cè)谧龊猛ㄓ嵱布a(chǎn)業(yè)布局的同時(shí)，也要有技術(shù)前瞻性，做好相關(guān)的技術(shù)儲(chǔ)備、實(shí)時(shí)跟進(jìn)。

就BCI來(lái)說(shuō)，侵入式與非侵入式之爭(zhēng)尚無(wú)分曉。但未來(lái)一旦語(yǔ)言層面的腦機(jī)輸入占據(jù)了上風(fēng)，就又會(huì)掀起一次單一語(yǔ)言在技術(shù)層面上對(duì)文化單一化的全球洗禮。20世紀(jì)80年代早期，蘋(píng)果電腦風(fēng)靡全球時(shí)，漢字經(jīng)歷過(guò)一次電腦輸入、顯示與排版的數(shù)字化危機(jī)。面對(duì)字母鍵盤(pán)，象形文字在電子化方面一籌莫展。教育部被迫設(shè)立緊急預(yù)案，幾乎要從小學(xué)一年級(jí)普及英語(yǔ)教育、適應(yīng)西方鍵盤(pán)。以后的轉(zhuǎn)折大家都清楚：王選發(fā)明中文激光照排系統(tǒng)，其后一大批中文字庫(kù)與輸入法涌現(xiàn)。中國(guó)在互聯(lián)網(wǎng)來(lái)臨的前夜趕上了數(shù)字化發(fā)展的快車，克服了那次危機(jī)。如果有一天，英語(yǔ)世界進(jìn)入了腦機(jī)交互的新時(shí)代，中國(guó)又將何去何從？我們拭目以待。

參考文獻(xiàn)：

[1] Clifton Leaf，“Elon Musk Fears A.I. He Isnt the Only Genius to Worry Tech Will Destroy Us.”Fortune，2017-08-30.

[2] 要了解人們對(duì)人工智能的憂慮，請(qǐng)參閱馬斯克與他人創(chuàng)建的非營(yíng)利組織“OpenAI”，該組織希望找尋“通往安全的人工智能道路”.

[3] Tim Urban，“Neuralink and the Brains Magical Future” Waitbutwhy， 2017-08-20.

[4] Elon Musk， Neurolink， “An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels” BioRxiv[EB/OL]. https：//www.biorxiv.org/content/10.1101/703801v1， 2019-07-17.

[5] David A. Moses， Matthew K. Leonard， Joseph G. Makin & Edward F. Chang， “Real-time decoding of question-and-answer speech dialogue using human cortical activity”.Nature Communications，2019-07-30.

[責(zé)任編輯：楊楚珺]