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基于脑联网的智能化平台

基于脑联网的智能化平台

基于脑联网的智能化平台的构成要素及运行模式。

一、未来战争对脑科学研究的军事需求

基于人工智能高度发达的战争,战场环境复杂多变、作战强度几何倍增、作战样式梯次叠加。而战场数据信息则呈现出多维、巨量、无序等数理特性,同时还兼具分裂生长、催化发酵、遗传变异等生化特性。战场数据这些复杂多变的特性,一定会迷失军事指挥人员的思维判断,干扰军事指挥人员的决策部署,消减军事指挥人员的认知能力。某种程度上说,甚至会控制军事指挥人员的意识行为,使之丧失最佳的决策时间、最正确的决策指令,甚至会诱导指挥人员发出错误的决策指令,从而进入敌人设计的层层圈套。

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未来战争战场环境和数据信息的这些特性,以及可能导致的军事指挥人员的认知能力发生变化的种种可能,请求作战指挥中枢机构能排除认知干扰,迅速、准确的对战前信息进行捕获、识别、分析、决策和反馈,而这些指令和决策的履行者最终是军事指挥人员,因此,如何在战场环境复杂、作战强度极高的条件下提升军事指挥员的认知和决策能力,是未来战争的必修课。

除了对作战指挥中枢系统产生的影响,脑科学及认知神经科学还可能推动军事领域的其他变革。例如,可以催生出基于脑控和控脑技术的武器系统,也就是美军提出的打造阿凡达式的人脑远程控制系统,实现作战零伤亡。还有就是加剧心理战,未来有可能研制出能读提取人的认知和思想的技术,从而可以了解和掌握敌方人员的心理状态,并适时发动心理战,从精神意志上给敌方致命一击。实现认知精神类药物武器化也是脑科学研究的重要领域之一,未来有可能研发出针对中枢神经系统,影响情感、记忆、行为的新型特异性药物,极易破坏血脑屏障,迅速发挥失能甚至致死效果,当然,这也涉及到战争伦理的问题。创伤后应激障碍(PTSD)和创伤后脑损坏(TBI)也是现代战争导致的普遍伤情,脑外伤仍是战场急救的难点,这些都给军人造成严重的精神心理问题,而神经影像学、神经精神治疗药物等脑科学各领域的发展,无疑会为创伤后应激障碍(PTSD)和创伤后脑损坏(TBI)的诊断、治疗和预防将产生革命性的影响。此外,脑科学研究还对军事作业能力的提升有巨大的推动作用,可以解决睡眠障碍、降低脑疲劳、缓解心理压力、延长有效作战时间等等。

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二、世界各国脑科学研究部署

正是基于以上对未来战争发展的诉求和展望,脑科学研究应运而生,脑科学研究是认知神经科学的重要方向,具有极强的军事特色,也是各个国家抢抓战略制高点的着力推手,对于推动和部署控脑权和脑控权具有重大现实意义。

2011年,科维理基金会、艾伦脑科学研究所和盖茨基金会共同赞助的学术研讨会中研究人员提议追踪人类大脑的功能连接活动,并形成了一份白皮书,这是现代脑科学研究计划的萌芽。2012年,美军提出未来“大脑战”的理论,拟制“制脑权”作战方案,并着力开发研制脑控感知假肢、搭建视觉智能应用平台。2013年1月,欧盟委员会宣布人脑工程入选“未来新兴旗舰技术”。2013年4月,美国总统奥巴马宣布启动“脑科学研究计划”(BRAIN),探索人类大脑工作机制、绘制脑活动全图。2014年9月,日本启动全名为Brain/MINDS的脑研究计划。此外,英国、德国、韩国、印度也都部署了各自的脑科学研究计划。可喜的是,2014年2月,中国科学院启动脑科学杰出创新中心,标志着中国国家层面进军人脑工程领域,也拉开中国脑科学研究的大幕。

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面对脑科学这一人类科学的巅峰巨作,发达国家显然已经迫不及待,目的是抢占脑科学研究的制高点。各个国家政府部门也期望通过脑科学研究,加深对脑神经元的理解,加深对人类感知、行为和意识的认识,这些研究都有可能有助于对阿尔茨海默症、帕金森病、癫痫和创伤性脑损坏等重大疾病的诊治,并最终找到一系列神经疾病的新疗法。此外,脑科学研究还有望为人工智能领域的发展铺平道路,正是出于这一点考虑,脑计划被认为是可与“人类基因组计划”相比美的重大科研战略计划。

三、脑科学研究主要技术进展

脑科学研究涉及神经科学、认知科学、控制科学、医学、计算机科学和心理学等多个学科,是一个新兴的、多学科交叉的前沿研究方向。而脑机接口是脑科学研究当前的热点领域,脑机接口是指在人或动物的大脑与外部设备间建立直接连接通路,能够不依赖于神经和肌肉,实现大脑与外界联系,它是大脑和外部环境之间的一种直接信息交流和控制通道,通过这个通道,可以将大脑活动的信息直接提取出来,并由此实现对外部设备的控制。2013年2月,美国杜克大学在美国本土和巴西两地进行了基于大鼠的“脑脑接口”实验。2013年6月,美国明尼苏达大学研制出可以用意念控制的远程遥控飞行器。

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脑控飞行器

2013年11月,杜克大学成功完成猴子学习只用脑电波控制虚拟手臂运动,推动双向脑控设备开发。2014年2月,美国哈佛大学医学院首次在猴子身上实现了“阿凡达”式异体操控。

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异体操控示意图

2014年4月,NIH与北卡罗来纳大学医学院合作,找到一种通过控制实验动物大脑神经回路、较准确操控其行为的方式,这一成果是美国脑计划启动以来第一个重要成就。2014年5月,DARPA资助的神经控制假肢手臂——“卢克臂”获得美国FDA认证。

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DEKA 手臂系统

2014年8月,IBM公司模仿人脑结构和信息处理方式研制出新一代神经形态计算机芯片“真北”(TrueNorth),使人类向步入认知计算机时代迈出了重要一步,颠覆从云计算到超级计算机等一切目前已知的计算科学。

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“真北”神经形态芯片

2014年9月,浙江大学的研究团队首次在中国实现了用人脑意念控制机械手完成较为复杂的肢体运动。2015年11月,杜克大学和斯坦福大学发明出可感知认知神经的传感器系统。

2016年1月,由DEKA公司协助约翰霍普金斯大学研发的通过大脑意念控制的仿生机械手臂在取得FDA认证后正式销售。

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约翰霍普金斯大学研发的通过大脑意念控制的仿生机械手臂

2016年5月,约翰霍普金斯大学进行了基于脑机接口的飞行仿真控制试验研究,试验所用的脑机接口系统包含了可植入到设定目标运动皮层中的2组96个微电子阵列,研究结果有助于揭示脑机接口系统在飞行模拟器环境中能否灵巧的控制飞机。

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脑控飞行控制系统界面

此外,其他技术研究还包括制定了脑扫描头盔方案,绘制了鱼脑活动图谱,研发了开启或关闭神经元的新型药物,开了干细胞遗传学、寨卡病毒和人类进化的装配线系统,合成了一次性测序上万个大脑细胞的基因等。

四、畅想基于脑联网的智能化未来作战平台

构成脑联网的基本要素要也就是“脑”。脑是最核心也是最根本的要素,不提脑的因素,也就失去了脑联网最根本的智慧属性。不同于“互联网”和“物联网”,脑联网搭建的是高度智能化的平台,平台系统中脑功能的发挥是基于最优解来设计的,脑潜能的挖掘是基于最大期望值的,平台系统中所有的活动都是围绕脑的主观能动性来部署和推进。更为重要的是,“脑联网”中的“脑”还应该具有自我保护功能、能力再生功能、主动学习功能、模拟演化功能、指挥控制功能等,这也是脑联网区别于其他网络最根本的特点,体现了脑联网的高端智慧属性。

基于脑联网的智能化平台

基于脑联网的智能化作战平台能实现战场条件下多岗位多角色高效、联动、智能决策,最大程度的发挥脑的主观能动性,使作战指挥人员的潜能发挥到极致。智能化作战平台可将作战指挥、后勤保障、装备信息等要素集成于平台系统,达到战场数据信息共享,各种角色的指挥人员借助脑功能辅助决策模块,增强和提升脑认知能力从而对海量数据进行综合分析与研判,追寻对本部门决策有用数据。

运用脑机装备建立指挥员与战场单元、战场单兵之间一对一的数据通道,使战场数据能实时、快速的反馈给指挥决策员,减少中间环节造成的数据失真,实现作战指挥的实时快速。作战指挥人员可通过脑功能侦查模块,全覆盖扫描和读取我方作战人员认知和心理状况,适时赋予精神心理治疗。并通过扫取敌方人员的认知和心理状况,适时发起心理战。

总之,指挥人员可通过脑机辅助模块实时掌握敌我双方作战人员心理状态、战场环境、作战进程、装备数据、单兵健康等信息,从而提升决策指挥的精准性。因此,打造出基于脑联网的智能化作战平台将成为未来作战指挥系统重点建设领域。

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察觉战场上几乎不可见的危险—军事脑科学

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基于未来军事需求,美军研制了一种灵巧轻便,且耐久负重的“外骨骼套装”,可以减轻战士负重时的能量消耗、增强耐久战斗能力。就像是我们在前面看到的科幻电影《机械战警》。

今天,我们能在互联网上看到的这些研究结果,其实早在20年前就已经开始研究了,今天能够示众的也只是一小部分。

举个例子:意识控制的军事化应用

2001年美国阿富汗战争中,一些士兵声称,他们拥有第六感。他们通过做车队的先行者来磨练自己的这一技能。在沿偏远山区尘土飞扬的道路上,这些士兵需要在车队的前列扫描路边炸弹的迹象,翻动泥土,查找任何可疑的迹象。能否敏捷的察觉异常决定了生和死。这些能凭着第六感而察觉几乎不可见的危险的人,是有特异功能的人。

现在,军事科学家们开始开发技术,将赋予每个战士这种能力。

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神经学家称这种设备为P300,之所以以此命名,是因为大脑会在它受刺激后约300毫秒的时间内产生一种波动,它标志着这是对一个可视对象的一种无意识的认可。P300可以被认为是第六感的生物学基础。

问题是,这种潜意识可能需要几秒钟的时间让大脑有意识的瞧见,在阿富汗,从发现一枚炸弹,到开车过去到引爆,也就是在这短短的几秒内。

脑电图可以当场接受到P300的信号。把EEG接到一个能解析信号的电脑上,这样它可以在第一时间提醒一个人他可能面对的潜在威胁,而不通过常规的大脑分析意识步骤。与先进的光学相结合,就可以想象这就是一个终结者般的视觉系统,能在扫描一个区域的同时,能立即识别并分类可能的危险。

这就是外军新的军事技术“哨兵”( Sentinel )开发的出发点,它被认为是世界上第一个“认知神经”双目威胁预警系统,这是一个新的军事技术理念。

脑科学:探寻战场“智”胜奥秘

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思维传递

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读心头盔

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人机合一

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脑机接口

大脑是世界上最复杂、最高级的器官。人类大脑是由上千亿个神经元和更多其他类型的细胞组成,它们相互连接,构成巨大而高效的网络体系。2014年诺贝尔生理学或医学奖获得者发现了大脑里存在空间定位“导航系统”,今年《自然》杂志刊文称,神经学家发现了控制睡眠、梦境的神经网络。从19世纪初的颅相学到21世纪的认知神经科学,长约200年的时间历程中,人类对大脑探索的热情愈加痴迷。随着美国、欧盟、日本相继提出了“人脑计划”“人脑工程”“机器人大国”等脑科学发展战略,一大批高新技术如雨后春笋竞相涌现,21世纪脑科学技术的发展突飞猛进,为人类逐步掀开大脑奥秘打下了坚实基础。

脑成像技术——

扫描透视观察脑

人在思考的时候,大脑处于怎样的状态?为什么一团像西瓜瓤般的胶状组织中会产生绚丽多彩的主观意识体验?由于大脑被包裹在颅骨中,早期又没有合适的透视和观察技术,此种想法只能是天方夜谭。随着物理学、神经科学的进步,现代脑成像技术的出现,使得科学家们终于可以不用开颅也能透视和监测大脑了。

脑成像技术主要是指磁共振成像技术、脑电技术、脑磁图技术、正电子发射断层扫描技术等。这些脑成像技术可以对大脑进行活体、无创伤、可反复、动态的成像,精确度达到毫米(秒)级。2015年美国某大学研究人员又研究出更高速度、更高分辨率的光声成像技术。脑成像技术之于脑科学,如同望远镜之于天文学,显微镜之于生物学一样,有着跨时代的革命性意义。

近日,美国五角大楼展开了一项计划,其内容是利用脑成像技术对小狗进行大脑扫描,追寻出最适合普通作战的犬类品种。下一步,这项技术将用于人身上,例如特殊军事岗位人员选拔、军事训练效果评估、个人行为或疾病发展趋势分析等。

脑成像技术不仅可以观察大脑的体积、形态等结构特点,还可以观察特定心理状态下的脑活动,从而对动机、情感、需求等深层次问题进行研究。

脑电波技术——

解析电波阅读脑

大脑是我们感知、注意、记忆、思维、决策、情绪和意志的物质基础。人类的思想和行为,都是由大脑支配的。能不能通过阅读和控制人类的大脑来影响人的思想和行为呢?现代研究发现,人脑是一台生物电脑,在我们进行思考活动时无时无刻不产生脑电波。脑电波的活动状态与大脑的意识状态之间存在某种程度的对应关系,具有一定的规律性。于是,脑电波技术就有了产生和发展的可能。

脑电波技术主要包括脑电波采集、破译、编码和发送技术。目前脑电波技术可以实现人的心理状态的监测,已经用于临床病情监测、嫌疑人审讯、航天员选拔与训练等领域。就像指纹一样,每个人都有特定的脑电波特征码。2015年美国一研究机构报告指出,脑电波可以作为生物特征识别码用于信息安全领域,实现身份认证。

据报道,美国国防部正在秘密研制可阅读士兵脑电波的“读心头盔”。只要士兵戴上这种头盔,他们无需开口说话就可互相“阅读”彼此的脑部活动。在“读心头盔”的基础上,美国国防部预计2017年前正式组建一支“读心部队”。美国国防部还相继支持研发便携式读脑仪器、思维阅读耳机等装置,用于读取和记录士兵的大脑信息。未来战场上,利用该技术还可以采集、破译、干扰和控制敌方士兵的脑电波,开发意识干扰武器,进而从心理、精神上干扰和控制敌人。

脑刺激技术——

功能定位增强脑

人的警觉力、注意力、记忆力和判断决策能力都是大脑的机能。当人处于高度的紧张、持续的疲劳中时,大脑由于自身的保护机制,其机能会大幅下降。人是社会活动的主体,人的效率决定着社会活动的效率。在特定的情景下,如何保持人脑的机能,保持社会活动的高效呢?美国五角大楼提出了“脑刺激计划”,其核心就是使用脑刺激技术促进和增强大脑的能力,从而打造更加聪明、无畏的“超级士兵”。

早在上世纪80年代,脑刺激技术就应用于临床精神疾病治疗,特别是对抑郁症的治疗效果显著。进入21世纪以后,科学家逐渐将这一技术用于改善大脑的功能。研究发现,人类的认知能力同大脑特定的脑区密切相关,对这些脑区施以特定的脑刺激可帮助增强大脑功能,与传统的药物刺激手段相比,此方法的副作用少、依赖性小。

士兵在战场上作战,大脑需要保持高度的清醒和高速的运转。但睡觉、疲倦、恐惧等是士兵难以用意志克服的。2013年美国国防部提出了“脑刺激计划”,并相继提出了“超级战士”“不眠战士”“钢铁战士”等一系列子研究计划,用于加快士兵的学习,保持高度清醒,提高注意力、记忆力、警觉力等。此外,这一技术还可服务于战场受伤的士兵,如美军预研发项目深部脑刺激器,用来治疗创伤后应激障碍、重度抑郁和慢性疼痛等神经障碍。

脑机接口技术——

“人机合一”拓展脑

“意念控制”“心灵感应”,这是在科幻电影《阿凡达》中出现的场景。男主角依靠大脑控制其替身在潘多拉星球作战。直接用大脑与外界进行通信, 实现对周围环境的控制,是人类自古以来的梦想。形成于20世纪 70年代的脑机接口技术,就是实现“意念控制”“人机合一”的新型脑科学技术。

脑机接口技术是通过采集与提取大脑产生的脑电波信号来识别人的思想,据此生成控制信号来实现大脑对外部设备的信息控制。脑机接口技术极大延伸和拓展了大脑的功能。传统脑机接口技术最重要的应用领域是帮助残疾人控制轮椅、假肢,修复残疾人的受损功能。现代脑机接口技术,特别是头戴式智能设备的发展,还可帮助正常人监测大脑的健康状态、提高认知能力。2013年美国某大学成功研制出头戴式智能设备遥控直升机,躲避障碍物的成功率高达90%。2014年日本研究人员推出网络型脑机接口技术,进一步提升了该技术的效能。

在军事领域,脑机接口技术可实现士兵大脑直接控制军事武器装备。作战时士兵不用上战场,而是在后方通过大脑直接控制“代理战士”进行作战。2013年美国国防部披露了多个与脑机接口技术相关的研究项目,如“阿凡达”“机器兵团”“人——武器互动系统”等。美军还资助了一项名为“恢复主动记忆”的项目,用于开发一种可植入大脑的记忆芯片,帮助脑部受伤的士兵恢复受损记忆。军事专家预测,脑机接口技术在不久的将来有望全面装备部队,引领未来战争的新模式。

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