“腦機(jī)接口”技術(shù)及其軍事應(yīng)用

霍夢(mèng)蘭

【摘 要】隨著“腦機(jī)接口”技術(shù)的發(fā)展，智能家居、意念控制玩具，醫(yī)療康復(fù)等民用領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)成熟。本文首先從“腦機(jī)接口”技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程介紹該技術(shù)的原理，然后對(duì)“腦機(jī)接口”技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】腦機(jī)接口；腦控；軍用應(yīng)用

2014年巴西世界杯開(kāi)幕式，一名腰部以下癱瘓的少年借助腦電波控制的機(jī)械外骨骼，成功地輪椅上站起來(lái)，開(kāi)出世界杯的第一球，向全世界觀眾展示了腦科學(xué)技術(shù)發(fā)展的魅力。科學(xué)源于幻想。電影《阿凡達(dá)》的男主角是一位下肢癱瘓的前海軍陸戰(zhàn)隊(duì)員，他通過(guò)頭上佩戴的復(fù)雜設(shè)備，用思維去控制一具人造“外星人”阿凡達(dá)。雖然潘多拉星和阿凡達(dá)只是導(dǎo)演卡梅隆的虛構(gòu)，但是得益于“腦機(jī)接口”技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，利用“意念”也就是人腦的思維來(lái)操控外部物體已經(jīng)不再是人類的空想。電影中的科幻情景已經(jīng)開(kāi)始走進(jìn)我們的生活。

1 “腦機(jī)接口”技術(shù)的原理

腦機(jī)接口（簡(jiǎn)稱BCI），是在人與外部設(shè)備間創(chuàng)建的直接連接通路。腦-機(jī)接口系統(tǒng)將從頭皮或皮層神經(jīng)元記錄得到的腦電活動(dòng)作為輸入信號(hào)，然后將該信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，從中辨別出人的意圖，最后把人的思維活動(dòng)轉(zhuǎn)換為命令信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)外部設(shè)備的控制和與對(duì)外界的交流。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，腦機(jī)接口技術(shù)幫助人類實(shí)現(xiàn)用大腦直接控制被控對(duì)象。

1.1 采集腦波信號(hào)

人的大腦是一個(gè)高度復(fù)雜的信息處理系統(tǒng)。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，人的大腦平均每天產(chǎn)生7萬(wàn)個(gè)想法，每次神經(jīng)活動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生輕微的放電，在科學(xué)上稱為腦電信號(hào)。腦電信號(hào)可以通過(guò)腦電波技術(shù)測(cè)量得到。既然可以測(cè)量，就可以采集這些信號(hào)。

腦電信號(hào)的采集，目前主要有有創(chuàng)和無(wú)創(chuàng)兩種形式。

有創(chuàng)是把采集信號(hào)的電極直接植入大腦，這種方法容易獲取腦電信號(hào)。但是這種方法存在一個(gè)問(wèn)題，把異物植入人的大腦組織，大腦會(huì)產(chǎn)生排異反應(yīng)或炎癥反應(yīng)，所以不能植入太長(zhǎng)時(shí)間。另外時(shí)間長(zhǎng)了，信號(hào)會(huì)衰減。

無(wú)創(chuàng)是在大腦的外部設(shè)置信號(hào)捕捉器，因此，不會(huì)對(duì)人體造成創(chuàng)傷。國(guó)際上普遍采用的是腦電極帽。通過(guò)分布在頭部表層皮膚的靈敏電極，精確地觀察腦電波的波動(dòng)并記錄數(shù)據(jù)。無(wú)創(chuàng)這種方法的好處是對(duì)人沒(méi)有損傷，可以一直記錄，但他的弱點(diǎn)是信號(hào)非常微弱。

不管是有創(chuàng)還是無(wú)創(chuàng)，采集到的信號(hào)是一些原始的腦電信號(hào)，不能用來(lái)直接控制外部設(shè)備。

1.2 分析處理信號(hào)

在對(duì)腦電信號(hào)處理之前先要進(jìn)行預(yù)處理。

腦電信號(hào)是一種微弱的低頻電信號(hào)，只有百萬(wàn)分之一伏。因此，在進(jìn)行有效的處理、分析之前，首先必須把信號(hào)放大。

然后，因?yàn)榉糯蟮男盘?hào)中還含有腦電信號(hào)范圍外的噪聲和干擾，還必須通過(guò)一定的算法，去除噪聲和干擾，提取出有用信號(hào)。這一環(huán)節(jié)叫做濾波。

最后，對(duì)提取出的有用腦電信號(hào)處理來(lái)識(shí)別人的意圖，即分析采集的腦電信號(hào)特征。比如，當(dāng)人想向左走的時(shí)候，就會(huì)形成一定特征的腦電信號(hào)；想向右走的時(shí)候，又會(huì)形成另外一種特征的信號(hào)。使用機(jī)器學(xué)習(xí)軟件，通過(guò)訓(xùn)練能把表征不同含義的腦電信號(hào)的特征提取并存儲(chǔ)在特征庫(kù)中。下一次，人在想同樣動(dòng)作的時(shí)候，就把提取的特征信號(hào)與特征庫(kù)里已經(jīng)存儲(chǔ)的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。如果一致，就能明確人腦的意圖。

1.3 轉(zhuǎn)換控制指令

將識(shí)別出的腦波信號(hào)，根據(jù)被控對(duì)象的不同，轉(zhuǎn)換成具體的控制指令。如果控制對(duì)象是無(wú)人機(jī)，就產(chǎn)生無(wú)人機(jī)的控制信號(hào)；如果控制的是地面機(jī)器人，就產(chǎn)生機(jī)器人的控制信號(hào)。信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絹?lái)控制被控對(duì)象，被控對(duì)象可以是武器，也可以是類人機(jī)器人等等。

腦機(jī)接口，是在人和外部設(shè)備之間創(chuàng)建的直接連通通路。有了這個(gè)通路，人腦就可以直接控制被控對(duì)象。

2 “腦機(jī)接口”技術(shù)的軍事應(yīng)用

腦機(jī)接口技術(shù)自1973年出現(xiàn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，取得了很多突破，智能家居、意念控制玩具，醫(yī)療康復(fù)等等，應(yīng)用相對(duì)成熟。在軍事上，根據(jù)目前的研究情況來(lái)看，運(yùn)用腦機(jī)接口技術(shù)，未來(lái)能夠?qū)崿F(xiàn)腦控。

2.1 腦控武器

腦控武器，即武器裝備按照人的大腦意念思維執(zhí)行操作。

我們對(duì)機(jī)械化、信息化武器裝備的控制，是通過(guò)人操作鼠標(biāo)，鍵盤(pán)、按鈕或者用語(yǔ)音控制，腦機(jī)接口實(shí)現(xiàn)直接用腦控制。腦控在國(guó)際國(guó)內(nèi)已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)，只是還沒(méi)有在戰(zhàn)場(chǎng)上應(yīng)用。2013年3月，英國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出第一種用于控制飛船模擬器的“腦機(jī)接口”裝置，戴在頭上后通過(guò)人腦意念便可控制飛船模擬飛行。在軍事上，利用腦控設(shè)備，僅僅利用飛行員的意識(shí)，就可以在F-35戰(zhàn)斗機(jī)飛行模擬器中操縱戰(zhàn)斗機(jī)。科研人員下一步的研究方向是直接用大腦去操控實(shí)際飛行。

國(guó)內(nèi)在腦機(jī)接口技術(shù)方面的研究跟國(guó)際上處于同一水平。習(xí)主席在視察國(guó)防科大時(shí)強(qiáng)調(diào)，要大力推進(jìn)科技進(jìn)步和創(chuàng)新，加強(qiáng)自主創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)，在前瞻性領(lǐng)域占有一席之地。2013年，國(guó)防科大機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研制成功腦控汽車(chē)。該車(chē)可按照人腦的思維意識(shí)啟動(dòng)、加減速或轉(zhuǎn)彎。

可以相信，未來(lái)腦控戰(zhàn)斗機(jī)、腦控裝甲車(chē)、腦控槍等等都可以實(shí)現(xiàn)。武器裝備將實(shí)現(xiàn)“隨心所動(dòng)”的智能化操作，做到感知即決策、決策即打擊，極大提升裝備的打擊效能，引發(fā)武器裝備操控模式革命。

2.2 腦控類人機(jī)器人

腦控類人機(jī)器人，即用人腦來(lái)直接控制類人機(jī)器人參戰(zhàn)。

就像電影《阿凡達(dá)》中那樣，用人腦來(lái)控制“阿凡達(dá)”，是武器裝備全新的智能化發(fā)展方向。

Nature雜志在2000年報(bào)道了從猴子大腦皮層獲取的神經(jīng)信號(hào)實(shí)時(shí)控制千里之外的一個(gè)機(jī)器人。本世紀(jì)初，美國(guó)投入大量經(jīng)費(fèi)研究用人的意念控制機(jī)器人士兵。2004年，美軍又資助多個(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行“思維控制機(jī)器人”研究。2013年，美國(guó)防部披露了一項(xiàng)叫做“阿凡達(dá)”研究項(xiàng)目，計(jì)劃在未來(lái)實(shí)現(xiàn)能夠通過(guò)意念遠(yuǎn)程操控“機(jī)器戰(zhàn)士”，以代替士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上作戰(zhàn)，遂行各種戰(zhàn)斗任務(wù)。

人腦控制類人機(jī)器人，人類用大腦去控制機(jī)器人使用武器，從而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)的無(wú)人化、智能化和零傷亡。

“腦機(jī)接口”技術(shù)涉及神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、控制科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和心理學(xué)等多學(xué)科交叉，是科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域，并于近年來(lái)發(fā)展迅猛。但是，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是一把雙刃劍，當(dāng)我們賦予武器更多的智能的時(shí)候，我們不得不去考慮它未來(lái)將會(huì)產(chǎn)生的影響。但是，我們?nèi)匀豢梢源竽戭A(yù)測(cè)，“腦機(jī)接口”技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用必將給未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)帶來(lái)一場(chǎng)新的深刻的變革。

【參考文獻(xiàn)】

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[3]孫翰，張雄，張玉，郭曼云.基于腦電信號(hào)的腦機(jī)接口技術(shù)[J].安徽科技，2015，4.

[責(zé)任編輯：田吉捷]