《流浪地球2》火了。 

扶摇直上万里的地月电梯、重核聚变的行星发动机、基建级3D打印和数控机床、550W量子计算机……电影中的中国科幻工业让观众看了颅内高潮、热血沸腾。影像世界和真实世界是有着必然联系的，这些科幻的想象，因为有了中国科技工业的发展壮大，才能使其更靠近现实。例如，中国有月球探索建设计划，才让观众觉得月球基地可能真实存在；中国核能“三步走”计划，让影片中行星发动机的可实施性变得切实；中国的量子计算机已进入世界领先水平，才让刘德华坚定追随数字生命有了基础性意义。 

数字生命作为《流浪地球2》中一条重要的叙事线，出现在电影开始的第一个镜头。影片开始，一位实验者头戴插满接线的仪器躺在实验室里，身旁科学家正滔滔不绝面对镜头讲述数字生命的意义。而数字生命的科学基础之一就是——脑机。 

脑机是什么？离我们还有多远？2022年8月，我们曾与各位读者探讨过这个话题，现将旧文重发，并新增有关类脑芯片的内容，希望能再次一窥科幻电影背后人类科技的前沿风景。‍ 

  人类，正在快速进入奇点时刻。

  1973年，美国加州大学洛杉矶分校教授最早提出“脑机接口”（Brain Computer Interfaces，BCI）概念；

  1988年，L.A. Farwell和E.Donchin提出了著名的“P300拼写器”，并得到了广泛的应用，帮助瘫痪病人与外界进行通信和交互；

  1998年，埃默里大学的研究员首次将脑机接口装备植入人体，实现了对电脑光标的控制；

  2004年，Cyberkinetics公司的“犹他电极”获得美国FDA批准上市，开展了首次关于运动皮层脑机接口临床试验，标志着BCI技术正式由科研走向临床；

  进入21世纪后，BCI领域在机器学习算法和脑电信号处理技术快速发展的背景下，取得了可观的进展。

  2020年，埃隆·马斯克的BCI公司Neuralink发布了“三只小猪”的实时神经元活动演示，展示了可实际运作的BCI芯片和自动化植入装置。同年，我国浙医二院与浙江大学团队对一位高位截瘫患者植入犹他电极，通过意念控制机械臂实现进食和饮水等动作，实现中国侵入式BCI临床“零的突破”。2021年7月，Synchron公司的经血管植入式脑机接口产品“Stentrode”获得美国FDA的IDE批准，成为全球首家可对永久性植入式脑机接口进行人体临床试验的公司。2022年，脑虎科技的柔性电极产品获得临床试验伦理批件，成为国内首家开展侵入式柔性脑机接口临床试验的公司。

  最近，马斯克在推特上与狗狗币的联合创始人交谈中，明确表示已经将意识上传到云端中，并且还成功地与之进行了交流，也就是自己和自己谈话！

  短短几个字的回应，迅速把马斯克和脑机接口再次推上热搜。

  图片来源：马斯克推特截图

  BCI，这个充满科幻色彩的技术，近十年来被世界各国频频列入重点规划，孜孜不倦地探索研究。

  它，究竟离我们还有多远？

各国布局与支持重点

  探索追赶科技的脚步，从未停止。

  从2013年开始，脑计划陆续上升为世界各国的科技战略重点或力推的核心科技发展领域，备受重视，相关科技规划也集中推出。西雅图艾伦脑科学研究所、谷歌公司等一大批研究机构和企业纷纷加入这一快速兴起的领域，围绕脑科学的国际竞争日趋激烈。

  我国的脑计划于2016年正式启动，被称为“中国脑计划”（CBP），即脑科学和类脑研究，旨在探索大脑秘密、攻克大脑疾病和开展类脑研究等。围绕脑与认知、脑机智能和脑的健康3个核心问题，统筹安排脑科学的基础研究、转化应用和相关产业发展，形成“一体两翼”布局。主要解决大脑三个层面的认知问题：大脑对外界环境的感官认知、人类及灵长类动物自我意识的认知和对语言的认知。

  2021年，我国“十四五”规划纲要中明确提出，瞄准生命健康、脑科学等领域实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

  目前，我国在脑科学主要研究机构已经形成了几大主体，以脑科学和类脑研究中心（北京、上海）、教育部前沿学科中心（复旦大学、浙江大学等）和高校研究院所组成的研究机构（如高校共建的麦戈文脑科学研究院等）为主力军，其余各地著名高校在专利和论文产出方面也发挥着重要作用。

  我国各地区也纷纷制定相关扶持计划。上海市已将脑科学与人工智能列为市重大科技项目，同时成立了“脑科学协同创新中心”，推进脑科学研究和转化应用；北京市也启动了“脑科学研究”专项，重点布局“脑认知与脑医学”和“脑认知与类脑计算”两个任务。许多高校和科研机构在脑科学领域都有实际举措，最为突出的是北京、上海、深圳和成都等城市，天津、湖北、浙江、重庆、厦门等省市也在陆续启动区域脑科学计划，加快脑科学创新中心建设。

国内BCI芯片取得进展

  2021年7月，中国电子技术标准化研究院发布的《脑机接口标准化白皮书(2021版)》发布。

  《白皮书》提出了典型BCI标准框架，包括：信号采集层/反馈层、数据层、解析层、应用层（如图）。信号采集/反馈的核心载体是神经电极，实现数据处理和解析的则是芯片。在良好底层建设下，应用层已初步展现出其多样性和想象空间，意念控制运动、意念合成语言、外骨骼机器人、睡眠监测、记忆评估等应用已逐步开始从实验室走向产业化。

  作为输出式BCI最重要的基础，信号采集能力是BCI产品创新与进步的先决条件。唯有坚实的底层建设才能使上层的算法和应用得到实质性的发展。根据信号采集的侵入程度，BCI可分为非侵入式、半侵入式和侵入式三类。

  在三种技术路线中，侵入式具有最高的技术壁垒。“犹他电极”作为其中的代表，于2004年获批FDA，然而，却在近20年间仅完成35例患者植入。随着技术的不断进步，来自神经科学、材料学、集成电路等领域的科学家和工程师们，为突破此类限制做出了积极的努力。Neuralink是其中的代表，它通过高精度的显微镜配合机器人，将集成了电极和传感器的“线状”柔性电极植入大脑皮层，并采集神经元信号。

  值得骄傲的是，我国国内的脑虎科技也选择了与Neuralink相似的高通量柔性微电极阵列的方式，该技术已通过临床试验伦理审查，将开展首次柔性脑机接口的临床试验。

  数据层与解析层是BCI框架中的重要组成部分，支撑高质量信号处理与解析的两大关键技术是算法设计与芯片。在互联网和人工智能行业的快速发展下，国内算法领域展现出较好的发展态势。

  然而，在芯片上，仍存在难题。

  应用在BCI上的芯片分为模拟前端信号芯片和数字信号处理芯片。模拟芯片方面，以德州仪器、ADI、Intan、意法半导体为代表的的国外厂商，占据大部分市场份额。

  在此背景下，国内各大高校与科研机构纷纷布局芯片研发，在过去5年间取得了可观的进展。2019年，天津大学发布首款拥有完全自主知识产权的国产BCI模拟芯片；2021年，复旦大学研制出国内首款无线脑机接口芯片；清华大学技术成果孵化的宁矩科技、中科院微系统所技术合作脑虎科技也相继完成芯片的设计与流片。

医疗是BCI重要应用领域

  医疗卫生，是脑机接口第一个也是离商业化最近的应用领域。

  脑机接口技术的功效可以归结为监测（使用脑机接口系统监测部分人体意识状态）、替代（脑机接口系统的输出可以取代由于损伤或疾病而丧失的自然输出）、改善/恢复（主要针对康复领域，改善某种疾病的症状或恢复某种功能）、增强（主要是针对健康人而言，实现机能的提升和扩展）、补充（主要针对控制领域，增加脑控方式，作为传统单一控制方法的补充，实现多模态控制）五大类，应用方向主要有医疗健康、娱乐、智能家居、军事和其他。

  对于医疗健康领域来说，应用案例（研发和产品）主要集中在“监测”、“改善/恢复”、“替代”和“增强”4大功效上。除此而外，基于刺激（DBS/TMS/tDCS/tACS/TUS 等）的 BCI（以输入为主的BCI）具有神经调控的功效，可用于帕金森疾病（parkinsons disease，PD）、癫痫、轻度认知障碍、阿尔茨海默病、焦虑障碍、抑郁障碍、创伤后应激障碍和强迫症等的治疗康复。

  “监测”是指通过脑机接口系统完成对人体神经系统状态的实时监控与测量。例如，对于存在视/听觉障碍的患者，视/听觉诱发类脑机接口可用于测量其神经通路状态，协助医生定位视/听觉障碍成因。“改善/恢复”主要是指可以针对多动症、中风、癫痫等疾病做对应的恢复训练。“替代”主要针对因为损伤或疾病而丧失某种功能的患者，例如，丧失说话能力的人通过脑机接口输出文字，或通过语音合成器发声。“增强”主要是指将芯片植入大脑，以增强记忆、推动人脑和计算设备的直接连接等，Elon Musk的脑机接口公司Neuralink正在做这方面的研究。

  随着技术的发展，应用领域不断扩大，未来将逐步应用于游戏娱乐、学习教育、智能家居和军事等领域。

类脑芯片

  脑机离不开类脑芯片，在这里补充一些类脑芯片的知识。

  类脑芯片，顾名思义，就是模仿大脑工作方式的芯片，人类大脑的高级行为之一是学习，而类脑芯片特点之一就是会“学习”。它内置着专门的类人脑芯片结构，相对于传统芯片，类脑芯片更加满足在计算性能、集成度、功耗方面上的要求。

  据了解，类脑芯片架构就是模拟人脑的神经突触传递结构，众多的处理器类似于神经元，通讯系统类似于神经纤维，神经元和突触是相连的，所以每个神经元的计算都是在本地进行，从整体来看，神经元们分布式进行工作，每个神经元只负责部分计算任务，这样一来，在处理海量数据上这种方式优势明显。

  从产品类型及技术方面看，类脑芯片可以分为两类：图像识别或信号处理和数据挖掘。从功能角度看，类脑芯片主要分为四类：主要支持人工神经网络的深度学习加速器（TPU、华为昇腾等）；主要支持脉冲神经网络的神经形态芯片（TrueNorth、Loihi、达尔文芯片等）；支持人工/脉冲神经网络的异构融合芯片（天机芯片）；支持神经元编程的脑仿真模拟芯片（Loihi等）。

  SynSense（时识科技）联合创始人、首席科学家贾科莫教授说道：“我们已经做到了针对具体应用而对类脑神经网络加以优化，并且已研发了面向应用的脉冲神经网络芯片。我认为其类脑芯片的商业落地只是时间问题。”

  中核集团在社交平台中@电影流浪地球，说道：“你们尽管想象，我们负责实现。”科技是科幻的基础，科幻是科技的未来，且不谈影片中的数字生命是否符合人类道义，但是其底层技术的诞生、发展和成熟所带来的效益远大于影片中呈现的“生命延续”。正如文中说到的，脑机技术未来在医疗、VR/AR、脑科学等将大有可为。

  技术将不断融合人的身体、行动及思想意念。身体作为感知媒介，愈发参与到人机交互的传播过程中，而当思想与机器深入融合，或许人类真的可以实现跟机器“推心置腹”或是“兵刃相见”。