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马斯克的脑机接口技术,让世界变黑客帝国?你想多了

时间:2019-07-22 作者:黄烨锋 阅读:
就人脑植入芯片一事,Elon Musk早在2017年就成立了一个名叫Neuralink的公司。这家公司致力于神经技术研究,开发的产品相关传说中的BMI脑机接口。通俗地说,就是把人脑和芯片连接起来。这到底是个什么样的系统?

英剧《黑镜》第一季最后一集《你的全部历史》故事中,绝大部分人类的大脑都植入了某种记忆芯片,这颗芯片用于存储人类经历的所有记忆(理论上似乎还需要配合植入人眼的高清摄像头,以及解决数据高速传输等问题),这样每个人随时都可以翻查以前的记忆,甚至反复调出记忆来确认各种细节。5wvEETC-电子工程专辑

这套系统听起来还挺复杂的,实际光是配合成像和存储系统的发展,现在的人类科技离剧情中描述的程度都还十分遥远。而且在黑镜的世界里,这种科技导致了人类社会的各种问题和矛盾。不过就人脑植入芯片一事,Elon Musk早在2017年就成立了一个名叫Neuralink的公司。这家公司致力于神经技术研究,开发的产品相关传说中的BMI脑机接口。通俗地说,就是把人脑和芯片连接起来。5wvEETC-电子工程专辑

按照Musk本人的说法,短期内公司要解决的是一些人类疾病或医疗相关的问题,而终极目标则是人类增强,或者叫超人类主义(transhumanism)。听起来黑镜拿芯片存储记忆,在Neuralink面前也不过是一环而已。5wvEETC-电子工程专辑

前几天Elon Musk在加州科学院(California Academy of Sciences)做了个简单的汇报,宣布公司获得了一些技术突破,预计明年就要在人类身上就他们的神经元读取技术做测试了。听来格外抓眼球,好似下一秒黑客帝国和攻壳机动队就成真了。这项技术研究可能是具有突破性的,但发展进度比你想象得要缓慢很多。5wvEETC-电子工程专辑

这是个什么样的系统?

这套系统的大致情况是这样的:Neuralink开发了某种芯片及配套解决方案,通过一种非常细且密集排布的线(thread)连接到大脑上。在Neuralink描绘的概念图里,芯片本身会以可穿戴设备的形式挂在人耳上。这颗芯片会连接至一些传感器——传感器就放在脑壳上,这些传感器再穿透头盖骨,通过很多条线连接到大脑皮层。5wvEETC-电子工程专辑

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这套方案实际要解决的问题是非常多的,而Neuralink这次宣布的技术主要集中在到底用何种线材,怎么把这些线“插”进大脑中去,以及芯片和软件大致该做些什么。这方面的研究,实际不光是Neuralink在做,过去临床医疗领域就有不少的尝试。而Neuralink在做的是让人机接口技术更具灵活性,比如相比过去,增加连接通道数量和信息传输的精度等。5wvEETC-电子工程专辑

系统包含三个组成部分:极为精细的聚合物探针(插到大脑中),一台神经外科机器人(专负责插线),以及外部的芯片和配套方案(Neuralink称其为定制化的高密度电子技术)。那么这种技术究竟有什么用呢?核心就是“在大脑和机器之间传输高保真的信息”,作用肯定不是用意念发电或变超人这么玄幻,典型的比如说神经义肢控制机械臂,还有人工语音合成之类,让截肢者可以重新走路,让语言障碍人士能借助外部设备重新说话——现有的一些研究成果就有这样的方案。5wvEETC-电子工程专辑

另外就医学研究来看,针对大脑的不同位置、不同深度,比如负责语言、视觉、听觉、运动等部位进行“插线”操作,本身也都是有价值的,对于人体和大脑研究都是重要的技术成果产出。5wvEETC-电子工程专辑

至于社交网络上渲染的科幻小说级别的成果,咱还离得有点儿遥远。Neuralink高层也表示在正式提供商业化服务之前,“还有很长的路要走”。bioRxiv最近加入了两篇来自Neuralink的技术paper,其中着重强调了这项技术在临床疾病方面的作用。5wvEETC-电子工程专辑

其技术突破体现在很多方面,比如说以前的同类技术,植入可能都不超过256个电极,而Neuralink汇报自家技术现在能够做到快速给大脑植入96根线,每根线都有32个电极,在大脑4x7mm²的区域内植入总共3072个电极;还有接入大脑的“连接线”在探针材料和镀膜方面更适用于脑组织;以及专门负责植入手术的“缝纫机”机器人采用了计算机视觉方案,可按照不同需求来进行大脑不同区域的植入工作。5wvEETC-电子工程专辑

另外还有我们比较关注的“定制的高密度电子技术”,实际上就是将电生理数据以较高的带宽、更低的延迟,从所有的这些电极同步传输到外部,Neuralink专门设计了AISC提供弹性化的支持,另外还涉及到峰值电位检测软件等。5wvEETC-电子工程专辑

鉴于Musk同学近年在登陆火星、航天技术、发卫星、自动驾驶等诸多领域的表现,Neuralink如果真的要实现“强化人”的目标,转念一动就完成各种操作,可靠性大概还是值得再观察一下的。5wvEETC-电子工程专辑

已经连接实验鼠的大脑,还有个USB接口

在已经发表的paper中,Neuralink演示了现有成果应用到一只实验鼠身上,下图右边的这只实验鼠头上有个USB-C口,3072个电极也就有3072个通道传输(似乎在实验中尝试植入44根线,但只成功了40根,也就是实际成功插入这只实验鼠脑中的总共应该是1280个电极),不知道这个USB接口的具体传输规格如何。左边这张图就比较恐怖了,是围手术期的一张照片,展示了这只实验鼠脑皮层表面,其上植入的这些线。5wvEETC-电子工程专辑

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这是一只Long-Evans鼠,Neuralink在paper中强调他们的实验完全符合《实验室动物关怀与使用指导原则》5wvEETC-电子工程专辑

我们首先来了解一下这个USB接口部分。实际上从外部能够看到的USB接口,直接就连接着一套电子相关的解决方案,即接口下方的部分——这部分肯定不需要植入到大脑内部,未来如果真的应用于人脑理论上也不会是这种形态。所以它本质上是个实验室产品,其完全体是下面这样的:5wvEETC-电子工程专辑

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A为可处理256个数据通道的ASIC,总共有12个ASIC,一共处理3072个通道;B就是聚合物线了,只不过这里放在了parylene-c基板上,在这些线插入大脑以前需要这层膜;C为钛金属材料的外围;D是数字USB-C连接器5wvEETC-电子工程专辑

电极(electrode sites)就将大脑信号传输到这个模块上。这个模块设计的难点包含了多个方面,一部分是因为它需要长期进行数据记录,所以就连封装也有较高的要求。考虑到记录通道众多,这就要求信号放大、数字堆栈整合到同一个阵列上。这个模块的工作包含了放大神经信号(<10 µVrms),同时过滤带外噪声,将放大的信号进行采样和数字化,并进行实时处理。由于是穿戴的,所以功耗和尺寸也都必须要小。5wvEETC-电子工程专辑

模块用到了Neuralink定制的ASIC,一个ASIC上包括了256个可编程放大器(称之为analog pixel模拟像素,这部分的设计难点包括电生理环境存在较多变量,所以它具备了较大的程度的可配置性),还有片上ADC(采样率19.3kHz, 10bit),以及外围控制电路(实现数字信号输出)。每个analog pixel功耗5.2μW,整个ASIC功耗就是大约6mW。目前这个演示的产品中一共是12个ASIC,采用倒装的方式集成到PCB板上。5wvEETC-电子工程专辑

实际这套系统中还包含了FPGA、实时的温度计、加速计、磁强计,以及前面用于电源和数据传输的USB-C连接器。这些都装载到一个钛金属底座上,另外外层包裹了parylene-c,作为防潮层存在,毕竟是需要长期佩戴的。传输方案Neuralink做了两种,包括不同的通行传输特性,这里鉴于篇幅的关系就不再赘述了,有兴趣的可以查看本文文末给出的参考链接。5wvEETC-电子工程专辑

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在数据传出到外部(比如外部计算机)以后,后续的解决方案会将数据流转为10G以太网UDP包,直接实时进行数据的可视化,或者是写到存储系统中。这部分其实也要求Neuralink自己再做一套用于信号检测和呈现的软件生态。上面这张图展示的就是从插入实验鼠脑中的一根线(如前所述的32个通道)获取到的神经信号(未过滤的)。5wvEETC-电子工程专辑

线与缝纫机

实际上,就Neuralink的技术来说,上面的芯片相关部分算不上是重点。真正的重点在于前端连接大脑皮层的部分,也就是“连接线”和植入线的那台机器——在Neuralink的paper中,这台机器被比喻为“缝纫机”。感觉就像有个缝纫机将这些线“缝”进你的大脑一样,听着都很瘆人,所以才称得上植入式的科技装备,也特别符合Elon Musk散发的气质。5wvEETC-电子工程专辑

先来说说连接所用的“线材”和接头。据说Neuralink专门开发了生产神经探针的生产工艺,需要用到某种高吞吐的生产设备来实现“晶圆级别的微生产工艺”。这样一来,探针在插入到大脑以后可以确保很小的位移。其上用了多种具备生物相容性的薄膜(thin film)材料。主要的基质和电介质材料为聚酰亚胺(就是近期日本宣布禁止对韩国出口的一种半导体原材料)。每个薄膜阵列包含了两部分,分别是“线”区,和“传感”区。线区很容易理解,就是电极触点;传感区则是连接前文提到芯片的部分了。5wvEETC-电子工程专辑

这里所谓的薄膜“阵列”,每个阵列实际就包含了48或者96根线,每根线又有32个独立的电极。这么做是为了让线的截面足够小,这样一来也就让大脑组织的位移最小化了。其间需要用到步进式光刻(stepper lithography)和其他微生产工艺,这样通道数量才会比较密集。5wvEETC-电子工程专辑

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Neuralink设计和生产了超过20种不同类型的线和电极,宽度从5μm到50μm不等,厚度一般为4-6μm——包含了三层绝缘层和两层导通层,长度大约为20mm。上面展示的是其中两种。每根线顶端是16x50μm²的一个圈,是为了让“缝纫机”针头“引线”的。另外还有针对较小的几何表面积,增加有效电荷负载能力,采用PEDOT:PSS和氧化铱也都是个中生产的细节。5wvEETC-电子工程专辑

实际上微型探针技术并不新鲜,只不过为了较高的生物兼容性、安全性和长期持续性,大部分方案的探针阵列都会用刚性金属。刚性金属阵列是为了直接穿刺到大脑内。不过这样一来,探针和脑组织的抗弯曲刚度、弹性模量无法匹配,可能会导致免疫反应——这就会限制方案的可持续性和功能。而且这类技术的插入阵列几何形状是相对固定的,这样的话就会限制神经元数量的访问,而且还需要考虑到大脑中的血管分布。5wvEETC-电子工程专辑

那么Neuralink的这种“柔性”线又怎么直接插到大脑里面呢?显然它不够硬,所以就需要有个专门负责插线的装置来做这件事。这也是Neuralink开发“缝纫机”的原因。有关“缝纫机”本体,也就是所谓的神经外科机器人,这部分应该是Neuralink的核心技能,所以Neuralink专门用一篇paper来描述这台设备。5wvEETC-电子工程专辑

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“缝纫机”机器人本尊5wvEETC-电子工程专辑

这台外科手术机器人的一个重要优势在于效率比较高,就是“缝纫”速度比较快,每分钟可以植入6根线,每根线的精度也是微米级别的。5wvEETC-电子工程专辑

头部位置实际能够达到的精度为10μm,三轴范围内达到的运动行程在400x400x150mm内,负责插线工作的部分实际包含了一个插针(needle)和一个折叠的装置(pincher)。插针直径从40μm到24μm不等。Pincher则是个50μm的钨丝——顶部位置弯曲。Pincher的作用是在传递过程中为为探针提供支持,另外也确保线会沿着探针路径插入。5wvEETC-电子工程专辑

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这台机器人的核心技术在于,头部位置有一个成像系统,引导插针进到线材头部的环中,还有目标确认等作用。头部包含了6个独立的光模块,分别都能独立发出405nm、525nm和650nm或白光,这些都是用于插针各种微米级定位操作的。还有集成的软件能够规划插入路径,并且确保线不会纠缠或者过紧。全套的这种计算机视觉系统,还能避开大脑表面的血管,把线插进。5wvEETC-电子工程专辑

另外就是不仅支持自动化操作,而且也可以由医生来全手动操作进行微调。从数据来看,Neuralink总共用它执行了19次手术操作,植入成功率在87.1±12.6%,好像问题还比较大。5wvEETC-电子工程专辑

即将应用到人类身上?

前面看到的只是针对实验鼠的一套解决方案,未来如果真正应用到人脑,接线数量和处理算力预计还将增加。Neuralink表示,目前采用USB口连接外部系统的方式未来会改为无线通讯;此外外科手术需要在头盖骨上钻孔,这会让人感觉到不爽,未来期望能用激光束穿透头盖骨,只打小孔。这是对技术的一些展望。5wvEETC-电子工程专辑

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传说中通过iPhone来远程控制5wvEETC-电子工程专辑

不管前面这些你有没有看明白,至少从原理上来看,Neuralink的脑机接口技术在这样的分析过后就已经不神秘了,也没那么玄幻。毕竟目前的技术阶段还比较低层级,即便只考虑将其应用于医疗,也有不少需要解决的问题。5wvEETC-电子工程专辑

索尔科生物研究所(Salk Institute for Biological Studies)教授Terry Sejnowski表示,Neuralink柔性线很有价值,但研究人员需要证明这种线材在大脑环境中的耐久性。另外很多学者都认为,Neuralink的研究paper缺乏一些关键数据。Neuralink方面则表示正在进行相关实验,但暂时不会公布包括长期使用稳定性在内的数据。5wvEETC-电子工程专辑

Musk宣称计划明年二季度将技术放到人体进行实验,当然他们还需要获得FDA批准。但有部分科学家表示实验室针对动物的研究结果很可能无法成功转移到人身上。霍华德休斯医学研究所(Howard Hughes Medical Institute)高级研究员Tim Harris说:“如果这项技术要用到人身上,至少再等个5年。这个复杂程度的植入手术,一两年是不够的。”5wvEETC-电子工程专辑

至于Musk和很多人畅想中,脑机接口技术应用到人体增强,比如意念控制,意念数据传输以及直接将外部数字信号转进大脑中,甚至实现黑镜那样的科幻效果,尚且不说人类的技术实力还差得很远;仅是伦理学,就可能不允许这样的研究方向。5wvEETC-电子工程专辑

中山大学人机互联实验室教授翟振明与和美国量子物理学家Henry Stapp前两年就人类“自我意识”达成过一个共识,即人类之所以存在自我意识,是因为人类接受外部认知信息,依靠的是自然感官(比如眼睛、鼻子),这是一种间接的信息获取方式,而不是直接往大脑输入控制信号。这是人与机器的最大区别,也是人类个体维系主体地位的基础。而Musk往人脑直接输入控制信号的想法,本质上会导致人类自我意识的坍塌,主体地位不复存在。5wvEETC-电子工程专辑

另外从信息安全的角度来说,尚且不说脑机接口让人脑有了直接接触数字病毒的可能性;植入式IoT设备发生安全问题以后,修复所需的成本将是很多人和企业无力承担的,毕竟召回汽车、电脑、手机是易事——那都是有钱就能解决的,但召回一个已经植入人体的数字硬件,问题就比较大了。 5wvEETC-电子工程专辑

参考来源5wvEETC-电子工程专辑

Neuralink – Wikipedia(https://en.wikipedia.org/wiki/Neuralink)5wvEETC-电子工程专辑
An integrated brain-machine interface platform with thousands of channels - bioRxiv(https://www.biorxiv.org/content/10.1101/703801v1)5wvEETC-电子工程专辑
The “sewing machine” for minimally invasive neural recording - bioRxiv(https://www.biorxiv.org/content/10.1101/578542v1)5wvEETC-电子工程专辑
Elon Musk’s Neuralink Shows Off Advances to Brain-Computer Interface - WSJ(https://www.wsj.com/articles/elon-musks-neuralink-advances-brain-computer-interface-11563334987)5wvEETC-电子工程专辑
Elon Musk’s Neuralink Wants ‘Sewing Machine-Like’ Robots to Wire Brains to the Internet - NYTimes(https://www.nytimes.com/2019/07/16/technology/neuralink-elon-musk.html)
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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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