腦機接口：硬科技皇冠上的明珠

什么是硬科技

我在美國生活了17年，絕大部分的時間都在從事科學(xué)研究。2019年底，我們把硬科技腦機接口公司落地在國內(nèi)。

我一直慶幸自己做了一個非常正確的回國創(chuàng)業(yè)的決定。我們的腦機接口公司發(fā)展得非常好，我們的團隊集合了來自美國麻省理工學(xué)院、杜克大學(xué)、西北大學(xué)以及國內(nèi)清華大學(xué)和浙江大學(xué)的優(yōu)秀學(xué)子，也剛剛完成了數(shù)千萬元的“天使輪”融資。

腦機接口技術(shù)不僅滿足了我們對于新技術(shù)的巨大好奇心，同時也實實在在地對我們的社會、未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及人類的生活，產(chǎn)生了巨大的影響。

為了解釋清楚腦機接口的概念，我們先來聊聊什么是硬科技。

我從浙江大學(xué)高分子專業(yè)畢業(yè)后，在美國高分子專業(yè)排名第一的阿克隆大學(xué)攻讀并拿到博士學(xué)位。我所在的課題組曾幫助美國航空航天局分析過“挑戰(zhàn)者號”航天飛機的失事原因。1986年，“挑戰(zhàn)者號”航天飛機載了7名宇航員從地面升空，在上升的過程當(dāng)中，因一個零部件的橡膠密封圈老化，造成機體發(fā)生漏氣，最終導(dǎo)致爆炸，7名宇航員為此喪生。白宮成立了調(diào)查委員會專門調(diào)查這個事情，我的副導(dǎo)師Alan Gent 作為白宮調(diào)查委員會的成員之一參與了此事。Alam Gent是橡膠領(lǐng)域國際上最頂尖的教授之一，所以我在讀博士的時候也跟隨導(dǎo)師從事橡膠撕裂性能方面的力學(xué)研究。

博士畢業(yè)之后，我在一家世界500強公司從事關(guān)于橡膠石墨烯復(fù)合納米材料的研究，同時也成立了一家自己的科技咨詢公司，主要從事硬科技方面的咨詢。這些硬科技領(lǐng)域包括航空航天、腦機接口、小型醫(yī)療器械、新能源汽車、新材料等。那個時候我們也接待了大量來自國內(nèi)的優(yōu)秀企業(yè)家和投資人。

我們經(jīng)常去美國“常青藤”院校、麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)的著名實驗室，以及相關(guān)的專利辦公室進行考察和訪問。同時，我們也去拉斯維加斯的消費電子展（CES）參觀全球先進的硬科技領(lǐng)域成果。在這個過程當(dāng)中，我自己作為一名硬科技的從業(yè)者，對硬科技的理解，也達到了一個新的高度。在交流當(dāng)中，我有幸認識了來自腦科學(xué)各個領(lǐng)域的一些優(yōu)秀的科學(xué)家和工程師，他們分別從事計算神經(jīng)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程、神經(jīng)生物學(xué)、AI智能算法等領(lǐng)域的研究工作。與這些優(yōu)秀的科學(xué)家之間的腦力碰撞，最終促使我們在2018年開始創(chuàng)立腦機接口公司，并在2019年落地國內(nèi)。

更早的時候，對于硬科技的理解來源于2016年我在紐約跟北京大學(xué)國家發(fā)展研究院的周其仁老師、知名科技咨詢家王煜全老師，還有其他幾位來自華爾街以及一些名牌大學(xué)的科學(xué)家之間的腦力風(fēng)暴。周其仁老師作為一個研究農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的學(xué)者，當(dāng)時也跟我們一起談?wù)撚部萍嫉陌l(fā)展，這一點讓我很吃驚，也讓我隱約感覺到我國的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略方向正在發(fā)生著翻天覆地的變化（因為我國的制造業(yè)在那個時候被西方世界描述成“勞動密集型低端制造業(yè)”的形象），所以從那一天之后，我開始對我們國家的宏觀戰(zhàn)略發(fā)展方向有了更加清晰的認識。我也有意識地把我自己之前所學(xué)的材料科學(xué)硬科技背景，跟我國的硬科技戰(zhàn)略方向進行更多的融合，也就有了后來組建硬科技團隊的初衷，讓我們所做的事情跟整個大勢更加緊密結(jié)合。

關(guān)于硬科技，就不得不聊到我國古代的四大發(fā)明。我們都知道，我國古代的四大發(fā)明是活字印刷術(shù)、火藥、指南針還有造紙術(shù)。再來對比一下，2018年國內(nèi)另外一個關(guān)于“新四大發(fā)明”的說法—高鐵、網(wǎng)購、支付寶、共享單車。各位有沒有發(fā)現(xiàn)這里面有什么本質(zhì)區(qū)別呢？

古代的四大發(fā)明都是硬科技技術(shù)，而2018年所謂的“新四大發(fā)明”，只有高鐵是硬科技創(chuàng)新，其他三個都是模式創(chuàng)新。這說明什么問題呢？下面來看看在過去2000年里，世界上重要國家和地區(qū)的GDP在世界總GDP中的占比情況。我國的GDP占比最多的時候，也就是硬科技，或者說我們古代的四大發(fā)明誕生的時候。我國的GDP在2003年的占比大概是10%到20%之間，而且處在快速上升的趨勢中，所以現(xiàn)在的“新四大發(fā)明”已經(jīng)開始有硬科技的成分。隨著中國經(jīng)濟的崛起，硬科技在所有的發(fā)明創(chuàng)造里的占比會越來越高，這說明我們現(xiàn)在處在硬科技爆發(fā)的前夜，隨著我國經(jīng)濟的大爆發(fā)，一定會迎來硬科技的大爆發(fā)。

從上圖也可以看到，美國GDP的占比呈現(xiàn)下降的態(tài)勢，結(jié)合最近幾年中美在硬科技方面的激烈競爭，不難理解美國為什么要千方百計地阻撓高新技術(shù)在中美之間的交流和溝通。但我認為這個趨勢是不可逆轉(zhuǎn)的，雖然美國在硬科技交流方面制造了各種各樣的人為干擾因素，但科技本身是沒有國界的，而且它會隨著時間的推移而達到平衡，我國的硬科技技術(shù)也將慢慢崛起。

我再給大家舉一個例子，在美國剛剛崛起的18世紀，英國有一個很有名的紡織工業(yè)家叫Samuel Slater。他為了能從英國來到美國，并把自己的技術(shù)帶過來，不得不喬裝打扮成農(nóng)場雇工的形象，偷偷橫渡大西洋來到美國。來美國之后，他在羅德島州的一個鎮(zhèn)上雇傭了當(dāng)?shù)氐拇罅抗と耍龠M美國的工業(yè)，特別是美國的紡織工業(yè)，從無到有地發(fā)展起來。所以他被稱為“美國工業(yè)革命之父”，但在英國，他則被稱為“叛徒”。就算是在文化同根同源的英美之間，都有這么激烈的技術(shù)競爭，更何況是在文化完全不同的中美之間，競爭是不可避免的。

模式創(chuàng)新講究的是商業(yè)模式復(fù)制的成功，它更依賴于“流量”，更依賴于以太效應(yīng)的經(jīng)濟模式。而硬科技創(chuàng)新模式更依賴于專業(yè)公司的專利技術(shù)，需要的是幾十年如一日的耕耘。在我國“十四五”規(guī)劃里，可以清晰地看到硬科技發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃：新一代人工智能、量子信息、集成電路、腦科學(xué)與類腦研究、基因與生物技術(shù)等。

硬科技是從PC到互聯(lián)網(wǎng)，再到移動互聯(lián)網(wǎng)，之后到元宇宙這樣一個方向的迭代。相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，也是從局域網(wǎng)過渡到互聯(lián)網(wǎng)中心，再到云，接下來我們在元宇宙里會看到各種各樣基于區(qū)塊鏈、超級數(shù)據(jù)中心的新基建設(shè)施。

不僅是新基建，各個不同網(wǎng)絡(luò)時代的管道、終端、應(yīng)用都在不斷地迭代變化。

以上的種種原因都促使我想回國投身到這個行業(yè)當(dāng)中，這樣可以隨著我國硬科技發(fā)展的浪潮實現(xiàn)更高的自我價值，同時也可以嘗試點亮大眾對硬科技的好奇心。

但你可能會好奇，現(xiàn)在有那么多“黑科技”，像自動駕駛、深度學(xué)習(xí)、混合現(xiàn)實，為什么我們要投身于腦機接口的技術(shù)與應(yīng)用？或者為什么我要介紹腦機接口這個技術(shù)呢？

答案是，沒有哪項技術(shù)能像腦機接口一樣，會徹底顛覆我們?nèi)祟愇拿鞯倪M程。腦機接口技術(shù)的顛覆性在于，它在試圖替代五萬年來我們賴以生存的協(xié)作工具：語言。它要繞過語言，建立一個能讓大腦和外界直接溝通的全新界面。

簡單回顧腦機接口的歷史，它也是從非常模糊的概念逐步發(fā)展而來的。世界首例成功的腦電圖連接來自19世紀德國心理醫(yī)生Hans Berger，之后，到1980年底進行了猴子大腦皮層內(nèi)腦機接口的測試，再到20世紀90年代杜克大學(xué)Nicolelis用猴子大腦運動皮層來控制機械臂，直至迄今為止最成功、臨床應(yīng)用最普及的腦機接口的商業(yè)化范例—人工耳蝸的成功實現(xiàn)，這一發(fā)展過程經(jīng)歷了100多年的時間。

腦機接口不僅僅會改變我們的交流方式，還會賦予人類一系列“科幻級別”的新能力，比如用意識操控機器、移植記憶、用機械骨骼代替人體骨骼，以及全面提升大腦的算力，等等。用一句話來說，腦機技術(shù)一旦實現(xiàn)，人類將一躍成為“超人”。

這些聽起來似乎特別玄乎。其實，剛才所介紹的這些功能，科學(xué)家已經(jīng)扎扎實實地開展了幾十年的研究，他們正在逐步揭曉實現(xiàn)這些功能的科學(xué)基礎(chǔ)。在全世界最頂尖的實驗室里，腦機接口已經(jīng)在人類實驗上取得了驚人的進展。在實驗室外，像人工耳蝸這樣的腦機接口產(chǎn)品，也已經(jīng)開拓出了每年上億美元規(guī)模的市場。再比如，我國目前有3億人口有輕度的睡眠障礙，腦機接口可以解決人類的睡眠問題，甚至形成幾千億美元規(guī)模的有效市場。

腦科學(xué)，特別是腦機接口，是整個硬科技領(lǐng)域皇冠上的一顆明珠。它所處的階段就好似早晨天色即將破曉的時刻，我們目前僅可以看到一點晨曦，但還沒看到升起的朝陽。

更早的時候，比如2017年，當(dāng)我作為“混沌大學(xué)”的老師在北大講課的時候，很少有投資人和企業(yè)家聽說過腦機接口，當(dāng)時Neuralink公司也剛成立，那個時候的狀態(tài)更像是凌晨黎明到來之前，外面還漆黑一片，很多腦機接口科技的脈絡(luò)還沒有很清晰。但我們認為兩年之后的狀態(tài)會是一輪朝陽剛剛升起的時候。那時候誰都能看得到這項技術(shù)了，但我們認為那時反而不算是一個最好的了解腦機接口的時機。

所以，現(xiàn)在，剛剛好就是了解腦機接口的最好時機。

前沿技術(shù)發(fā)展的底層邏輯

在這本書里，我會從科學(xué)的視角，與你分享腦機接口技術(shù)的發(fā)展進程。不過，我想展示的，并不是我們距離“超人”的未來到底還有多遠。我要告訴你的是，前沿技術(shù)的演進，其實遵循著一些最為樸素的底層邏輯。

第一個底層邏輯是，技術(shù)的演進往往不是源于創(chuàng)造，而是源于“組合”。

在人類的技術(shù)史上，很多創(chuàng)新，都是因為我們把已經(jīng)存在的技術(shù)，用一種全新的方式組合在了一起。比如渦輪增壓發(fā)動機，其實是將冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、點火系統(tǒng)等的組合，用新的方式呈現(xiàn)了出來。再比如機關(guān)槍，其實是組合了火藥、彈簧、滅火器以及水冷系統(tǒng)的技術(shù)。

我們會順著這樣的思路，帶你一起拆解腦機接口技術(shù)。腦機接口技術(shù)就是一個超級跨界組合，囊括了腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、材料科學(xué)、心理學(xué)、計算機科學(xué)等多個學(xué)科的研究成果，也高度依賴于這些學(xué)科的協(xié)同進化。

第二條底層邏輯是，技術(shù)的演進并不受困于理論，甚至?xí)壤碚撓刃幸徊健?/p> 如果我告訴你，自行車能向前滾動而不倒的原理直到現(xiàn)在都沒有定論，蒸汽機的發(fā)明比科學(xué)家提出“熱力學(xué)三定律”提早了100年，你會不會很驚訝？

對于有工程師思維的科學(xué)家來說，技術(shù)的突破走在理論前面，這毫不令人意外。雖然大腦的工作方式仍然是個謎團，但是并不妨礙我們在實驗室里，用腦機接口技術(shù)操控機械手臂、激發(fā)“心流”、治療中風(fēng)或癱瘓。這難道不是技術(shù)先行于理論的最佳案例嗎！

第三條底層邏輯是一個關(guān)于商業(yè)的規(guī)律。這個規(guī)律讓我堅定地相信，在這個領(lǐng)域，未來一定會誕生萬億美元規(guī)模的公司。

蘋果公司是前幾年全世界第一個市值突破萬億美元的公司。我認為最關(guān)鍵的原因在于，移動互聯(lián)網(wǎng)為人類活動創(chuàng)造了全新的空間。這種“拓荒式”的突破，就像哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸一樣，必然會帶來巨大的機會。

你會看到，腦機接口技術(shù)將會開發(fā)出一片我們從未涉足的無人之地。如果我們的交流是通過意識實現(xiàn)的，如果我們能把思想、情感、記憶都上傳到云端，那么我們?nèi)祟愅瓿蓞f(xié)作和創(chuàng)造價值的界面，就會被徹底改變。這個新界面，現(xiàn)在還是一片荒原，但是未來必將被開拓。

所以你看，腦機接口技術(shù)之所以值得我們花時間去研究，不僅是因為它很“黑科技”，我希望你從這本書中收獲的，還有關(guān)于科技發(fā)展的普適性道理。

你肯定會好奇，腦機接口技術(shù)到底如何實現(xiàn)？它現(xiàn)在進展到了什么階段？我會用八章的內(nèi)容來嘗試回答這個問題，這些內(nèi)容可以大致分為以下三個部分。

第一部分，我會為你講解腦機接口的基本原理。

我們這里說的“腦”，指的是大腦以及我們的神經(jīng)系統(tǒng)。而“機”，指的是外部設(shè)備，如機械臂、外骨骼、無人機、鍵盤、鼠標、電子皮膚、視覺假體，等等。所以腦機接口的作用，是把我們大腦的想法通過它，傳遞給外部設(shè)備，甚至直接傳遞給其他人的大腦。

我會介紹大腦的可塑性原理為什么對腦機接口技術(shù)格外重要，大腦的邊界性、大腦與身體的邊界如何定義，以及如何像電影和小說里描述的那樣對未來的腦機接口技術(shù)進行規(guī)劃。

我會介紹科學(xué)家怎么樣采集大腦的信號，讓計算機能真正讀懂人類大腦；非侵入式腦機接口怎樣用于人機交互，怎樣用于寵物腦電信號采集以識別寵物的情緒狀態(tài)。除了腦電設(shè)備之外，我們還可以利用其他“翻譯”大腦語言的設(shè)備來解讀大腦，比如近紅外腦成像fNIR、功能性核磁共振成像fMRI，等等。

接下來會介紹未來侵入式腦機接口如何突破商業(yè)化的兩大難關(guān)，我還會講到植入大腦的“神經(jīng)蕾絲”—由可以助長神經(jīng)突觸發(fā)育的材料制成的像貼紙一樣薄的石墨烯等腦機設(shè)備。還會介紹新材料如何影響腦機接口的發(fā)展，比如由新材料制成的電子皮膚貼片不單單可以監(jiān)測睡眠，還可以用于做心理評估、冥想，等等。

第二部分，我會為你講解完整的腦機接口應(yīng)用體系。

我搭建了一個四層的金字塔，這是一個從出發(fā)點到終極目標的清晰路徑。通過攀登這個金字塔，你會看到腦機接口技術(shù)如何破解人類進化密碼，讓人類進化成為超人。

金字塔的最底層是“修復(fù)”。指的是腦機接口技術(shù)如何修復(fù)身體機能，比如，讓癱瘓病人重新站起來行走，讓失明的人重新獲得視覺功能。這是腦機接口的初衷，也是實驗室里研究最深入的一項應(yīng)用。不過你一定可以想到，這一層的技術(shù)復(fù)雜程度非常高。又比如，人類擁有通過睡眠來修復(fù)自己的能力，我們現(xiàn)在可以通過腦電波來監(jiān)測睡眠。我會介紹目前關(guān)于睡眠的最新研究成果，以及怎樣用腦機接口來影響睡眠。最后會介紹怎樣通過腦機接口來篩查神經(jīng)退行性疾病，比如腦中風(fēng)、阿爾茨海默癥，等等。

金字塔的第二層是“改善”。指的是利用腦機接口技術(shù)改善我們的精神狀態(tài)，比如提高注意力，甚至激發(fā)“心流”體驗等。這是腦機接口技術(shù)目前離商業(yè)化最近的應(yīng)用。精神狀態(tài)的改善還包括對青少年情緒抑郁的初篩與干預(yù)，以此延伸到情感計算；以及怎樣利用各類新技術(shù)手段，比如用攝像頭、語音識別結(jié)合腦機接口的方法，來判別抑郁癥與自閉癥。最后會介紹最近美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）剛剛認證的數(shù)字療法，通過電子游戲來改善兒童注意缺陷與多動降礙（ADHD，俗稱多動癥）的最新進展。同時也會提到，怎樣利用調(diào)節(jié)腸道菌群的方法來改善自閉癥與抑郁癥。

金字塔的第三層是“增強”。埃隆·馬斯克曾經(jīng)斷言：腦機接口相當(dāng)于給人類的大腦，添加了一個叫作“數(shù)字化第三層”的新結(jié)構(gòu)，這個新結(jié)構(gòu)，會讓我們的智能水平大幅度增長，超越我們的生物極限。這是什么意思？能實現(xiàn)嗎？如何用腦機接口實現(xiàn)記憶移植？人可以在數(shù)字世界實現(xiàn)永生嗎？這一章會提到目前世界上能達到的最多通道數(shù)的腦機接口—Paradromics的包含6萬個電極的芯片，以及馬斯克的Neuralink公司截至2021年8月份的最近研究進展。

金字塔的最頂層是“溝通”。如果我們把思考的尺度，從人類個體放大到群體會怎么樣呢？在頂層，我們一起看看，腦機接口將如何顛覆“語言”這種低效的溝通方式，以及為什么這件事可能會創(chuàng)造出一種全新的“群體智能”，同時介紹最有可能實現(xiàn)的腦機接口。最后介紹腦機融合的未來，手術(shù)機器人的應(yīng)用，腦機接口系統(tǒng)整合的實現(xiàn)，應(yīng)用腦機融合的深腦刺激合作開發(fā)閉環(huán)融合的腦起搏器，進行腦機融合式運動控制，應(yīng)用柔性的觸覺反饋，等等。

這四層金字塔的應(yīng)用要是都實現(xiàn)了，那我們?nèi)祟愓娴木褪强考夹g(shù)的力量實現(xiàn)了下一步的進化。

不過，這一定是好事嗎？和機器完美融合之后，我們到底是“人類”，還是“機器人”呢？我們的腦數(shù)據(jù)安全，又如何保障呢？

在最后一部分，我們會再次回歸現(xiàn)實，探討目前全球人類在腦機研究方面的進展，并介紹腦機接口怎么樣讓人機交互從2D交互變成未來的3D交互，以及相關(guān)的技術(shù)進化與元宇宙的結(jié)合。最后也將探討腦接機口給人類社會帶來的倫理挑戰(zhàn)和文明沖擊。

本書得以成稿，特別感謝電子工業(yè)出版社編輯牛平月老師，和我在柔靈科技的同事、首席科學(xué)官、奇點實驗室主任、計算神經(jīng)科學(xué)家劉冰博士，資深醫(yī)療信息化與醫(yī)療器械專家陳文凱先生，退行性疾病神經(jīng)生物學(xué)家萬力博士的修改意見和真知灼見，以及陳涵、李凌菲、黃可鋮、林華、陳煜、孫玻、曹琪琪、孫麗麗、嚴世喬、朱向陽、黃開迪、雷舒雯等同事朋友。在我們?nèi)犰`科技的每個周末的晚上，都會有一個叫“腦璨會”的學(xué)術(shù)討論會。腦璨會其實就是英文Brain Storming（腦力風(fēng)暴）的一種特定譯法。但其實這個名字來源于以前我在美國擔(dān)任顧問的一個北美PhD（Philosophy Doctor，哲學(xué)博士）聯(lián)盟。我們在美國的博士團體，為了自嘲，就把PhD改寫成為Permanent head Damage，中文翻譯是永久性腦損傷，也就是“腦殘”的意思。而“腦殘”跟“腦璨”諧音，所以我們博士聯(lián)盟的組織就叫腦璨會，一語雙關(guān)。我后來就把這個名字移植到柔靈科技公司每周的學(xué)術(shù)研討會上來。在柔靈腦璨會里，我也得到了很多來自同事的各種各樣的靈感。我把這些內(nèi)容，還有這些相關(guān)的知識，全部都集結(jié)成冊，在這里跟各位讀者交流。同時，還要感謝“得到App”之前的同事邵恒、邸泰深、小雙、嘉樹，本書得以從“得到App”《前沿科技之腦機接口》的底稿基礎(chǔ)上掇英成書，也從戚宇舸先生、上海交大孟建軍博士、波士頓大學(xué)楊程博士等諸多朋友處得到很多靈感。也特別感謝我的太太王憶楠女士的默默付出與支持。

如果你準備好了，現(xiàn)在就跟我進入腦機接口的世界，看看人類到底是怎樣進化成“超人”的。