顛覆未來作戰的前沿技術系列之腦科學

吳 勤

顛覆未來作戰的前沿技術系列之腦科學

吳 勤

大腦是人體中最復雜的部分，也是宇宙中已知的最復雜的組織結構。21世紀，被稱為“生命科學、腦科學的百年”或“腦研究世紀”，伴隨著腦科學和認知科學的興起與發展，以人類為中心的認知與智能活動研究，已進入發展新階段。腦科學相關技術的發展和應用能迅速提升武器裝備智能化和操控意識化程度，對武器裝備的發展、使用和國防軍事能力建設將產生難以預見的顛覆性影響。

多國啟動腦科學重大研究計劃

多年來，人類對腦奧秘的探究從未停止，已有數十位從事腦科學研究的科學家獲得諾貝爾獎，腦科學在發達國家已成為科學研究“皇冠上的明珠”。早在20世紀90年代，美國就率先提出“腦的十年計劃”，歐盟成立了“歐洲腦的十年”委員會，國際腦科學組織也采取多種舉措推動腦科學研究的發展。

2013年4月，美國宣布啟動“腦計劃”；2014年6月，美國國立衛生研究院發布“腦計劃”路線圖，詳細闡述了腦科學計劃的研究目標、重點領域、實施方案、具體成果、時間與經費估算等，提出將重點資助9個大腦研究領域：統計大腦細胞類型，建立大腦結構圖，開發大規模神經網絡記錄技術，開發操作神經回路的工具，了解神經細胞與個體行為之間的聯系，整合神經科學實驗與理論、模型、統計學等，描述人類大腦成像技術的機制，為科學研究建立收集人類數據的機制，知識傳播與培訓。2014年8月，美國國家科學基金會宣布，將資助36項腦科學相關項目，涉及實時全腦成像、新的神經網絡理論以及下一代光遺傳學技術等。美國國防高級研究計劃局（DARPA）近年來啟動了數十項旨在提高對大腦動態和機制的了解、推進相關技術應用的項目，包括可靠神經接口技術項目、革命性假肢、恢復編碼存儲器集成神經裝置、重組和加速傷勢恢復項目、將模擬大腦用于復雜信號處理和數據分析項目等。

2013年，歐盟委員會宣布將“人腦工程”列入“未來新興技術旗艦計劃”，力圖集合多方力量，為基于信息通信技術的新型腦研究模式奠定基礎，加速腦科學研究成果轉化。該計劃被認為是目前世界最先進的腦科學大型研究計劃，由瑞士洛桑理工學院統籌協調，歐盟130家有關科研機構組成，預算12億歐元，預期研究期限10年，旨在深入研究和理解人類大腦的運作機理，在大量科研數據和知識積累的基礎上，開發出新的前沿醫學和信息技術。該計劃首先利用30個月的時間，建設涉及神經信息學、大腦模擬、高性能計算、醫學信息學、神經形態計算和神經機器人等6座大型試驗與科研基礎設施。這些設施將對全球科技人員開放，邀請世界頂尖科學家參與研究。

此外，日本、德國、英國、瑞士等國也都先后推出本國的腦科學研究計劃。

奧巴馬宣布啟動美國“腦計劃”

腦科學研究在全球掀起新熱潮

進入21世紀以來，隨著相關理論的完善和新實驗工具的涌現，大腦最深層的一些奧秘開始浮出水面。特別是近年來，歐美爆發“腦”競賽，全球圍繞大腦的研究掀起新一輪熱潮，與大腦有關的科學發現不斷涌現，為腦科學的大規模推進與應用奠定了基礎。

在研究與探索腦結構方面，2012年，哈佛大學的科學家研究出了一種新的核磁共振掃描技術，用于探索人類大腦內部結構；DARPA與美國威斯康辛大學麥迪遜分校合作，研發出探究人腦神經結構與功能之間聯系的腦研究技術；2014年，在DARPA可靠神經接口技術項目的支持下，威斯康辛大學麥迪遜分校的研究人員開發了新的腦結構研究技術，這項技術對大腦中神經網絡活動的可視化和量化研究具有重大貢獻。

用于模擬“腦控”飛船的實驗裝置

在腦信息獲取技術方面，腦電信號破譯研究、神經活動信息還原視覺圖像研究、神經活動信息支持行為與神經元關系研究、神經活動信息再現人類夢境研究等均取得了新進展。例如，澳大利亞Emotiv公司開發出了一種能夠翻譯人類8種生理表現和7種表情的腦電信號裝置；美國、德國和英國的研究人員實現了利用磁共振成像技術將大腦活動信息轉換成想象物體圖形；DARPA近期正在開發新型大腦植入物，實現對大腦信號的實時跟蹤與響應；2014年，DARPA啟動“神經功能、活動、結構與技術”項目，加速和簡化對大腦的3D分析，使整個大腦成像只需220天。

在腦機接口技術方面，多國開展了一系列技術驗證并取得突破，實現了大腦控制外界設備以及大腦控制另一生物體的異體控制。2008年，位于美國北卡羅來納州的科學家從植入獼猴腦部的電極獲取神經信號，通過互聯網將這些信號連同視頻一起發給日本的實驗室，最終美國獼猴成功地“用意念控制”日本實驗室里的機器人做出了相同的動作；美國布朗大學2013年研制出首個火柴盒大小的腦機接口無線連接裝置，可將腦部數據傳輸至1米內的其他設備；2013年3月，英國研究人員開發出第一種用于控制飛船模擬器的腦機接口裝置，美國科研人員又創建了計算機模擬程序，將腦機接口裝置戴在頭上后，通過人腦意念便可控制飛船模擬飛行；2015年6月，俄羅斯“未來研究基金會”負責人表示，以思維控制機械的腦機接口在俄研發成功，該腦機接口使用在醫學上廣泛普及的腦電描記法來捕捉腦電活動。

在“腦對腦”控制方面，2013 年2月，美國杜克大學的研究人員將分別位于美國和巴西的兩只大鼠的大腦，通過植入腦內的芯片和計算機建立彼此之間的腦電波傳輸回路，實現了成功率為65%的腦對腦異體控制實驗；2013年8月，美國華盛頓大學公布了人類首次非侵入式腦對腦接口實驗，不需要在大腦內插入電極，一人成功遙控了另一人的手部運動；2014年2月，美國哈佛大學醫學院等機構利用一只作為發出指令的“主體”猴子和一只作為接收指令的猴子實現了異體操控，任務完成率高達98%。

此外，近期腦研究與應用領域還取得了許多重要進展。例如，美國塔夫茨大學成功創建出三維腦狀組織模型，功能和結構特征類似于大鼠腦組織，可用于研究腦功能，開發治療腦功能障礙新療法；2013年，德國比勒費爾德大學物理系的研究人員制造出有學習能力的納米憶阻器元件，每個大小只有人類頭發直徑的1/600，該憶阻器將作為設計人工大腦的關鍵部件；2014年9月，西班牙、法國、美國科學家聯合開展實驗，利用腦電波和儀器設備實現“人際交流”，成功將兩個單詞從一位印度志愿者腦中傳送到8000千米外的法國實驗人員腦中，這是人類首次“幾乎直接”地通過大腦收發信息；2015年7月，澳大利亞墨爾本皇家理工大學和美國加利福利亞大學的研究人員通過使用納米尺度的憶阻器矩陣，制造出了世界上第一個能模仿人腦的電子記憶細胞；當前，DARPA啟動了一個新項目，旨在研究“神經重播”在形成記憶和回憶過程中的作用，從而幫助人腦更好地記住具體的偶發事件，更快地學會技能。

IBM開發出的神經元計算機原型，它搭載了16顆“真北”芯片

腦科學軍事應用潛力巨大

腦科學研究具有巨大的潛在軍事價值，可直接應用于現代戰場的多個領域，包括催生新型腦控武器和智能化裝備，提高作戰人員知識與作業能力，優化軍事訓練與決策，改善軍人神經與精神損傷的救治，推動心理戰的升級等。腦科學的軍事應用主要體現在“仿腦”“腦控”和“控腦”三個方面。

“仿腦”，即借鑒人腦構造方式和運行機理，開發出全新的信息處理系統和更加復雜、智能化的武器裝備，甚至研發出與人類非常接近的智能機器人。近期“仿腦”的熱點領域主要包括開發模仿人腦的神經形態芯片、具備人腦處理功能的仿腦處理器、開發認知計算技術等。這些“仿腦”技術的問世與應用將大幅提高無人系統的智能化水平，還可能給包括云服務、機器人、超級計算機在內的多個領域帶來重大變革。

神經形態芯片近期成為最令人矚目的“仿腦”技術應用，大名鼎鼎的《科學》雜志和美國麻省理工學院《技術評論》雜志均將神經形態芯片評為2014年十大科技突破之一。2013年，瑞士和美國科學家聯合研制出了一種腦神經形態芯片，能夠實時模擬大腦處理信息的過程；美國陸軍研究室通過模擬人腦思考過程開發出一種量子神經元計算機芯片；美國高通公司近期也通過模擬神經結構和大腦處理信息方式開發出了大腦芯片；2014 年8月，在美國DARPA項目資助下，IBM公司宣布成功研制第二代類腦計算芯片“真北”，該芯片架構類似人腦，集運算、通信、存儲功能于一體，與第一代芯片相比，“真北”神經元由256個增加到100萬個，突觸數量由26.2萬個增加到2.56億個，包含54億個晶體管，每秒可執行460億次突觸運算，總功率僅為70毫瓦；2015年，美國加州大學和紐約州立大學石溪分校的一個聯合研究小組，首次僅用憶阻器就創建出一個神經網絡芯片，從而向創建更大規模的神經網絡與人造大腦邁出了重要一步；英國嵌入式處理器廠商ARM與曼徹斯特大學、海德堡大學合作研究的神經形態芯片已經被納入歐洲人類大腦計劃，并得到支持。歐洲方案與美國方案相比，單位面積功耗較高，但神經元模擬更接近生物神經元，因此在模擬大腦方面也被報以更大希望。

在“仿腦”處理器方面，美國DARPA多年來致力于發展能夠模擬人腦認知和推理能力的類腦處理器，已經開展了“傳感與分析自適應局部學習”等多個項目；2012年，谷歌公司實驗室的研究小組通過模擬人腦中相互連接、相互溝通、相互影響的“神經元”，由1000臺計算機、1.6萬個處理器、10億個內部節點相連接，形成一個“谷歌虛擬大腦”；2015年，IBM公司利用48塊“真北”試驗芯片構建了一個“電子大腦”，每一塊芯片都可以模擬大腦的一個基本構件，該試驗系統可以模擬4800萬個神經細胞，基本可以與小型嚙齒動物大腦的神經細胞數齊平。

認知計算是一種模擬人的認知、智能和解決問題方式的計算技術。國外主要軍事強國以未來軍事應用為牽引，積極推進認知技術的發展。例如，美國通過實施自學電子攻擊技術、認知無線電臺技術、基于認知的協作決策感知認知模型、基于腦電波識別和認知算法的戰場威脅探測技術等項目，大力推進認知計算技術在武器裝備領域的應用。2014年，美國空軍研究實驗室授予通用電氣公司一份高性能嵌入式計算系統合同，以模擬人類中樞神經系統的信息路徑，該系統可推動開發與部署自適應學習、大規模動態數據分析和推理的先進神經形態體系結構和算法。

“腦控”，即通過大腦實現對外界物體或設備的直接控制，減少或替代人類肢體操作，從而提高作戰人員操控武器裝備的靈活性和敏捷性。近年來，“腦控”應用得到進一步發展：日德研發出了“腦控”車輛；德國慕尼黑工業大學飛行系統動力學研究所首次成功展示了“腦控”飛行；美國明尼蘇達大學成功研制出能夠用意念控制的四軸飛行器，其躲避障礙物成功率高達90%；英國科學家開發了專門的腦機接口裝置來控制飛機和飛船模擬器；美國DARPA開展了名為“阿凡達”的尖端軍事科研項目，旨在探索擴展人類機能，獲取神經代碼進行整合，以控制進攻性武器和系統，DARPA還在2013財年投入700萬美元研發一種自主式雙腳機器人，能夠讓士兵在戰場上遠程控制，以替代士兵執行部分作戰任務，如放置監視設備、搜索并攻擊建筑物內的威脅目標、救助傷員、設置障礙物等。

“控腦”，即利用外界干預技術手段，實現對人的神經活動、思維能力等進行干擾甚至控制，導致出現幻覺、精神混亂甚至做出違背己方利益的行動，其關鍵是開發能夠監測和干預大腦思維活動的信息系統。“控腦”目前產品應用還較少，美國DARPA聯合商業機構開展了相關的概念研究，主要包括：通過計算機模擬腦電波控制人體的心理反應和思維，通過特殊頻率的無線電波與人體腦電波作用產生催眠效果，神經系統腦電波聲音操縱項目等。

美國明尼蘇達大學腦機接口裝置控制飛行器的實驗場景

結 語

腦科學的發展對于人類了解自身神經精神領域有著重要的價值與意義，同時也具有強大的軍事應用前景，將推動軍事領域的重大變革。當前，腦科學研發已經成為時代潮流不可阻擋，其大規模進步必將為人類帶來一個日新月異的新世界，我們應該及時未雨綢繆，趨利避害。

責任編輯：劉靖鑫