对话“机械战甲”之父 脑机交互掌控未来

2017-06-16 23:45 VR/AR 来源:创头条 查看原文

智东西(公众号:zhidxcom)
文 | 寓扬

在2014年的巴西世界杯的开幕式上,年仅14岁的巴西高位截瘫少年,身披“机械战甲”,开出了这一全球盛宴的第一脚球,数十亿人为之欢呼。

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(注:图片来自网络公开数据)

这一脚开球不仅开启了整个巴西世界杯,更开启了人类的新时代,或许我们将由此走向一个“人机融合”的新未来。

而开启这个新未来的的人就是“机械战甲”之父米格尔·尼科莱利斯(Miguel Nicolelis),他同时还是美国杜克大学医学院神经生物学教授、法国科学院院士、巴西科学院院士、《脑机穿越》的作者。

他是《自然》、《科学》等国际一流学术期刊的常客,2004年被美国科普杂志《科学美国人》评为全球最具影响力的20位科学家之一,其研究被《麻省理工科技评论》评为10大最具突破性的科技创新之一。

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在6月15日,尼科莱利斯出席大连软交会(第十五届中国国际软件和信息服务交易会),并带来“脑机接口,人机交互的未来”的演讲。通过他的演讲和会后专访,智东西了解到尼科莱利斯脑机交互的实验由来、具体用途、进展以及实现原理等深度信息。

一、脑机接口与“机甲”少年

或许在2014年的世界杯,高位截瘫的巴西少年开出的第一脚球,开始让“机械战甲”、脑机接口这样的概念广为人知。

那么什么使脑机接口呢?尼科莱利斯如此解释道,只需要用脑来想一想,就可以用机器来实现某个具体的行动和任务。具体来说,我们的脑电波来发出信号,把这些信号和机器结合起来,就能够控制我们人为设计出来工具的活动。而该接口可以实现大脑与相关设备迅速、高效的连接,无论距离远近,也无论这些机器的大小,即使像航空飞船一样大。

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想象一下,在一个不需要说话。不需要动作的世界,我们只需想象就可以控制一切。我们能够用想象控制我们的电脑、所有的数字设备;我们只需想象我们在开车,车就可以自动行驶了;我们甚至可以通过脑联网,通过想象和其他人进行交互协助。Just thinking ! 而这些已经可以实现。

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正如巴西世界杯开球少年,他身披“的机械战甲”,就是一套被称之为“外骨骼”(exoskeleton)的机甲设备。在足球场上,由瘫痪少年的大脑发出行动信号,经由无线传输到背包内一台笔记本大小的计算装置中,这台计算机将大脑信号转换成数字化的行动指令,让外骨骼先稳住少年的身体,然后诱导机械腿在草坪上进行前后运动。当少年发现脚和足球接近时,想象着用脚去踢它,瞬间脑信号就会命令外骨骼上的机械腿将球踢出。并且这个机器里有一定的压力传感功能,当他的脚踩在地上的时候就会有一定的压力信号传出,病人就能感觉到草坪的存在。

脑机对接技术可以帮助瘫痪病人重新获得运用能力,也可以用来控制各种设备,甚至通过人与人之间的脑连接实现意念沟通!并且未来的应用领域还将更多元,而这一切都源自尼科莱利斯10多年前在猴子身上的实验。

此外,早在1984年,尼科莱利斯便正式迈向这条研究道路,当时他撰写了有关肌肉控制中枢神经连接的博士论文,并在2002年就产生了研制脑控外骨骼的想法。

二、一只猴子引发的故事

尼科莱利斯曾在猴子身上做过实验,猴子可以用自己的大脑信号来控制一个机器。具体而言,猴子可以用操纵杆来玩电脑游戏,首先它用控制杆来控制光标,这个光标是它的目的,它通过光标来协调自己大脑的功能和想实现的游戏目标。它慢慢越来越熟悉这个过程,尼科莱利斯团队就控制猴子的脑电波波活动,转化成数字命令,然后将其传输给一个机器人。当猴子和机器人可以一起协调的时候,它就不需要用手操纵控制杆,而是直接通过脑部活动就可以驱动机器来玩游戏,这就实现了脑机对接。

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即只需要靠我想玩这个游戏,只需要动动脑,而不需要动别的任何部位。这是尼科莱利斯团队第一次发现脑机对接可以实现的效果。

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而这张图就是尼科莱利斯说的,猴子正在使用大脑活动,通过无线传输和无线对接,来控制开车过程。而它只需要想象车是怎么开的。尼科莱利斯让猴子在右侧三个位置中的一个位置,让它想象一下把车开到红色所在的位置,然后它会走出三个不同的路线,而它根本不需要动,只需要现象发生三个不同轨迹的行动,这完全是通过无线脑机对接来实现的。

后来尼科莱利斯团队意识到这些科技发展有广泛应用空间,尤其在医学方面。比如说一些病人已经失去的运动能力,尼科莱利斯团队就可以利用皮层神经假体帮助他恢复运动功能。我们的大脑同样可以释放脑电波和信号,这些信号可以通过机器的方式和电流传输到本来已经失去运动功能的肢体。尼科莱利斯团队可以记录大脑的脑电波,把这些信号通过脑机对接传递给机甲,而失去运动的人只需要穿上这种机甲装备,相当于人体外围有一个外骨骼,需要认作的就是动脑,通过外骨骼实现运用功能。

三、脑机接口医学价值巨大

尼科莱利斯讲述到,现在他们的合作者来自世界上五大洲的二十多个国家,世界各地都有其合作的实验室,比如巴西、美国和欧洲。他们能够制造这样的“机械战甲”,能够让高位截瘫的病人重新站起来行走,通过大脑控制机器,来实现人类的活动。

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2014年巴西世界杯,高位截瘫的14岁小男孩正是凭借着“机械战甲”,驱动着外骨骼重新获得了行走。而这只是重获行动的一个例子。后来尼科莱利斯又选择了八个残疾或瘫痪的病例,对他们进行康复训练。这些病例首先要接收VR培训,在VR中他们会有一个外骨骼结构,他们只需要想象,与外骨骼结构相适应。他们和机器人之间也在学习如何互动,在互动中实现对接。

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其中一位病人已经瘫痪6年,这6年之间他都是坐在轮椅上。当他戴上一个头盔开始使用外部骨骼时,他的想象以及他的大脑活动都可以通过传感器传输给外骨骼。尼科莱利斯团队的设备首先阅读和识别了他的脑部活动,然后传输信号,最终他可以重新行走了。并且在行走时,他可以接收来自地板的信息,他能感知到地板是什么样的。尼科莱利斯接着讲到:“这对病人十分重要,如果他们只会动而没有信息接收的话会变得害怕,所以我们这种对接病人可以感知到踏在地板的感觉。”而这正式脑机接口的发展,让病人重新获得行走。

尼科莱利斯接着讲到,病人开始学习和适应这套系统后,多年瘫痪甚至是完全瘫痪的病人可以通过几个月的时间恢复了一些运动功能,而这些功能是因为之前的脊髓受伤而损伤的。上面这位瘫痪病人,使用外骨骼接收了一年的训练后,他的右腿就能够动了,再经过一年训练以后他又能够使用左腿了。就这样这位病人重新获得了利用自己大脑控制自己身体的能力,尼科莱利斯称之为“这在神经科学或者是医学界数百万的脊椎瘫痪病人里是前所未有的”。

而现在有二十九个病人使用同样的外骨骼,借助这个技术重新来行走。这就是人机交互的巨大潜力,能够改变人们的命运。

四、意念传输——多人脑联网

这种人机交互不只能在一个大脑中发挥作用,还可以实现多个大脑的协作,即脑联网。接着尼科莱利斯讲述了其在杜克大学实验室里多个猴子大脑同时协作的案例。在虚拟3D环境中, 有XYZ三个坐标,一个猴子操作X轴,一个猴子操作Y轴,另外一个猴子操作球,为了让虚拟手臂运动,三只猴子大脑联动时才能控制好。并且它们做到了,它们能同时三个大脑连作。

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正如上图,一个猴子控制X轴,另一个猴子控制Y轴,用电脑把两个猴子接收到的信号融合成超大脑,用这个超大脑来控制虚拟手臂。并且没有哪只猴子知道其他猴子的存在,它们对于这种合作是不知情的,即使这样,它们的大脑也能在不知情的情况下达成合作。

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尼科莱利斯将这个设想应用于人类患者的大脑网络,通过多人协作的方式帮助患者恢复运动。他指出,一个瘫痪或者截肢病人一开始在VR中进行训练是最困难的,因为它们很久没有使用大脑运动的型号了。所以尼科莱利斯让病人和健康的人一起进入虚拟世界,来玩虚拟游戏,帮助病人重新使用大脑里的运动细胞。

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如上图,可以看到健康人和病人两个人协作的训练过程,患者能够在虚拟环境里成功的动用自己的外骨骼。并且治疗师在某一个国家或者某一个城市可以通过网上训练成百上千个世界各地的病人,而不需要把这些病人和医生放到一个本地医院。这些训练师只需要同步自己大脑活动到网络上,使得数以万计的病人能够在网上接受这种脑电波的训练,而不需要支付昂贵的医疗费用、硬件费用。

此外,尼科莱利斯还谈到,这种技术已经到了实验室实验完成的阶段了,可以进行应用了,并且不仅可以应用于病人,也可以应用健康人,来提升生活质量。

五、跨界融合是脑机互动的未来

演讲结束后,尼科莱利斯接见了智东西等媒体的采访。当谈及他做这项科研的初衷时,尼科莱利斯表示他是为了探究大脑的运作,后来发现可以医治瘫痪的人,因此就变得更有动力。

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智东西曾在3月底报道过马斯克曾在去年7月创办了医学研究公司Neuralink,旨在将人工智能直接植入人类大脑皮层,从而提高人类智能,但这种方式的安全性也受到极大的质疑。智东西就尼科莱利斯针对这一问题进行提问,他指出最初的动物研究确实是将芯片植入大脑皮层进行研究,但并没有将这一方式应用于人类,而是通过一个传感器帽子实现的。

而在智东西问及脑机交互实现的原理时,尼科莱利斯谈到,它是物理驱动和神经网络的结合,是电脑、神经、机械三方面的合作达成的,单靠机械或是神经网络都是无法实现的。而这种脑机接口最核心的问题是如何和大脑进行对话,如何控制。并谈到脑机交互是脑神经技术、机器学习和生物材料相融合才能达到的一个效果。

此外,尼科莱利斯还就脑机交互给出了更多元的应用。他指出,其一我们可以通过大脑与家居设备、电子设备的连接,从而实现直接用大脑控制这些设备;其二我们可以通过大脑远程控制机器去做一些危险场景的探测活动;其三还可以通过脑连接,从而在一个工作环境中,实现人们直接通过大脑直接沟通,高效协作。

结语

凯文·凯利在其20年前的《失控》中,就提出人类的未来是“人造和天生的联姻”,即将人类与机器相结合的“半机械人”,来赋予人类更大的生存空间。而此次尼科莱利斯的脑机接口与“机械战甲”则告诉我们,这样一个时代或许已悄然来临。

但人类脑联网仍将面临很大的安全问题。试想一些现在网络上层出不穷的黑客攻击和电脑病毒,若人类脑联网,那么直接通过大脑传输病毒,又是否意味着人类灾难的来临呢?当然,现在讨论这个问题未免有些杞人忧天。

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