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(jì)算，通過模仿人類大腦的運(yùn)作方式，讓計(jì)算機(jī)軟硬件實(shí)現(xiàn)信息高效處理，同時(shí)具有低功耗、高算力的特點(diǎn)。

近年來，隨著大腦成像、腦機(jī)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(xué)與計(jì)算技術(shù)、人工智能、納米材料、認(rèn)知心理等學(xué)科的交叉融合，正醞釀著重大理論與技術(shù)突破，腦科學(xué)與類腦研究成為全球科技競爭的焦點(diǎn)。

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(jì)算，通過模仿人類大腦的運(yùn)作方式，讓計(jì)算機(jī)軟硬件實(shí)現(xiàn)信息高效處理，同時(shí)具有低功耗、高算力的特點(diǎn)。

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(biāo)。2021年，科技部發(fā)布了“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目相關(guān)申報(bào)指南，部署了近60個(gè)研究方向，立足于探索大腦奧秘和攻克大腦疾病的腦科學(xué)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(jì)劃”。近年來，國家還成立了類腦智能技術(shù)及應(yīng)用國家工程實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)。值得一提的是，日前，“問天I”類腦計(jì)算機(jī)技術(shù)成果在江蘇南京發(fā)布，該計(jì)算機(jī)模擬大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，是國內(nèi)目前技術(shù)領(lǐng)先、規(guī)模最大的類腦計(jì)算機(jī)。

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

“腦機(jī)接口”走進(jìn)生活

對于“腦機(jī)接口”，許多科幻愛好者一定不會陌生?！栋⒎策_(dá)》中，科研人員利用“腦機(jī)接口”將分析解讀后的人類大腦信息傳導(dǎo)給克隆人，使得克隆人同時(shí)擁有了強(qiáng)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(shí)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(jī)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(jī)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(shí)世界中移動物體的具有實(shí)際意義的指令，在醫(yī)療、軍事、神經(jīng)娛樂、認(rèn)知訓(xùn)練、神經(jīng)生物經(jīng)濟(jì)學(xué)等方面都有所應(yīng)用。如今，“腦機(jī)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(dú)特、不可替代的作用。

2023年10月，在杭州亞殘運(yùn)會的開幕式上，游泳運(yùn)動員徐佳玲通過大腦控制安裝在她左臂的智能仿生手點(diǎn)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(qiáng)不息”四個(gè)字。通過構(gòu)建仿生神經(jīng)肌肉通路，佩戴者能精準(zhǔn)控制每根手指，重建手部運(yùn)動功能。據(jù)悉，傳統(tǒng)仿生關(guān)節(jié)在穿戴使用的時(shí)候，佩戴人需要時(shí)刻去關(guān)注它，控制也達(dá)不到如此精細(xì)。而采用“腦機(jī)接口”技術(shù)的仿生關(guān)節(jié)，能夠通過實(shí)時(shí)采集腦電波，用某種裝置進(jìn)行分析解碼后轉(zhuǎn)換為控制信號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對事物的控制。此外，利用“腦機(jī)接口”技術(shù)實(shí)現(xiàn)視覺的“人工眼球”，可以幫助盲人“看到”更復(fù)雜的信息，實(shí)現(xiàn)他們看清世界的夢想指日可待?！叭斯ざ仭眲t是最早開發(fā)并成功應(yīng)用的“腦機(jī)接口”技術(shù)之一，可以為患有嚴(yán)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(jī)接口”技術(shù)還被應(yīng)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(fèi)的大量時(shí)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(yùn)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(jī)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(jī)交互。這次測試為我國載人航天工程的新一代醫(yī)學(xué)保障提供了關(guān)鍵科學(xué)依據(jù)。

截至目前，北京、上海的一些高校和科研機(jī)構(gòu)在類腦智能與“腦機(jī)接口”方面已經(jīng)取得了一些成果。2019年8月，清華大學(xué)施路平團(tuán)隊(duì)開發(fā)出全球首款異構(gòu)融合類腦計(jì)算芯片，該芯片結(jié)合了類腦計(jì)算和基于計(jì)算機(jī)科學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，有望促進(jìn)人工通用智能的研究和發(fā)展；2020年1月，清華大學(xué)錢鶴、吳華強(qiáng)團(tuán)隊(duì)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(yīng)用相關(guān)的概念，隨著類腦科學(xué)研究取得進(jìn)展，“電子腦”正在從文字概念轉(zhuǎn)向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。以已經(jīng)正式開展應(yīng)用的“問天I”類腦計(jì)算機(jī)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(jì)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(xué)這么吸引人，就是因?yàn)樗泻芏辔粗念I(lǐng)域還需要大家去探索?！敝袊茖W(xué)院院士、中國科學(xué)院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越創(chuàng)新中心學(xué)術(shù)主任蒲慕明曾指出，腦科學(xué)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(xì)胞所組成，這些神經(jīng)細(xì)胞通過突觸的連接，形成非常復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)之中又含有特殊的環(huán)路和通路，當(dāng)進(jìn)行某一種特殊功能的時(shí)候，這些通路就會被激活。所以我們不但要知道整個(gè)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(jìn)行特殊功能的工作原理，這是腦科學(xué)目前要努力的方向。而直至今日，我們卻對復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和信號傳遞機(jī)制知之甚少。

在業(yè)界，類腦智能的實(shí)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(xué)、神經(jīng)形態(tài)工程等學(xué)科為基礎(chǔ)，模擬生物神經(jīng)元乃至整個(gè)大腦，是類腦技術(shù)破局的關(guān)鍵?！叭四X在有限尺寸和極低能耗下，能夠完成復(fù)雜環(huán)境中的信息關(guān)聯(lián)記憶、快速識別和自主學(xué)習(xí)等認(rèn)知任務(wù)。隨著芯片換代速度放緩、算力供不應(yīng)求等挑戰(zhàn)出現(xiàn)，面向未來，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式已難以為繼。要想實(shí)現(xiàn)類腦計(jì)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(xué)精密儀器系、清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心長聘副教授李黃龍認(rèn)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(jì)，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(dá)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(xué)、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(jī)接口（包括侵入式和非侵入式腦機(jī)接口）市場規(guī)模達(dá)15.05億美元，2030年將達(dá)到53.40億美元，復(fù)合年均增長率高達(dá)15.11%。目前腦機(jī)接口產(chǎn)品主要用于恢復(fù)或替代因肌萎縮性側(cè)索硬化癥、中風(fēng)、腦癱或脊髓損傷等神經(jīng)肌肉疾病患者的功能。腦機(jī)接口市場面臨的機(jī)會則包括：虛擬現(xiàn)實(shí)的帶動、智能家庭控制系統(tǒng)中的應(yīng)用、政府和研究機(jī)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(jī)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(jì)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(jì)算范式，引領(lǐng)人工智能的新變革。當(dāng)前，盡管類腦計(jì)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(jì)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(rèn)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(yīng)用場景；長期來看，想要迎來商業(yè)價(jià)值的釋放，不但要在產(chǎn)業(yè)端進(jìn)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(jì)算的完備性，向通用計(jì)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(kuò)大。類腦智能的研究涉及神經(jīng)科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)和機(jī)械學(xué)等多學(xué)科知識，需要整合多種前沿科學(xué)成果并進(jìn)行深度融合。與此同時(shí)，當(dāng)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(jì)劃持續(xù)實(shí)施，全球腦科學(xué)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(dāng)計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)思考，以及細(xì)胞捐贈者具有哪些權(quán)利，等等。

目前，國際腦行動計(jì)劃已發(fā)文呼吁加強(qiáng)腦科學(xué)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(shí)用工具和指南；最后需要加強(qiáng)數(shù)據(jù)治理教育，提高認(rèn)識。并強(qiáng)調(diào)，未來，各國腦科學(xué)領(lǐng)域要進(jìn)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(jī)接口》報(bào)告指出，腦機(jī)接口領(lǐng)域面臨的倫理挑戰(zhàn)包括安全性、隱私保護(hù)、獲取腦機(jī)接口產(chǎn)品的公平性、風(fēng)險(xiǎn)與收益評估、腦機(jī)接口參與的相關(guān)行為的權(quán)責(zé)問題等。未來，以腦機(jī)接口為代表的類腦智能產(chǎn)品的廣泛應(yīng)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(xué)研究，并加強(qiáng)相關(guān)概念的宣傳。我國也于2022年發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)科技倫理治理的意見》?？梢灶A(yù)見，類腦智能倫理安全監(jiān)管有望更加規(guī)范化，實(shí)現(xiàn)全球共識。

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