一、人机接口技术未来发展方向与技术挑战
1.发展现状及未来方向
目前现状
大多数脑机接口的工作方向都与用于转换的数据质量和数量有关，从人脑中提取和传输的数据保真度将会提高，信号带宽也会得到改善。目前，美国DARPA的神经工程系统设计项目，已经投资于一项关于植入神经接口促进感觉恢复的研究，这种感觉恢复可同时激活一百万个神经元。截至2019年7月，布朗大学资助的研究团队提出了一种0.25平方毫米的植入物，称为“神经颗粒”，该植入物可与外部设备进行无线双向通信，上行速率高达每秒10兆比特。2020年1月，PARAFROMICS公司公布了一种新型高数据速率植入式脑机接口，采用比现有方法低60倍的功耗处理和传输神经数据，可降低大脑过热带来的风险，同时传输更多数据。
未来发展方向
一是远程离岸无线评估将成为从人脑传输数据的一个潜在前沿领域。指挥官借此可从很远的距离对其士兵甚至敌人的状态进行评估。与此相类似，脑机接口也可用于对一个小组的评估进行汇总，但目前没有对该技术进行概念验证。
二是，目前脑机接口在修复术方面的工作包括将现有的神经元重新连接到物理系统，要控制从未存在过的假肢及相关神经元则更具挑战性。关于向大脑传输数据，最终目标是直接向大脑提供高保真信息（如孤立的记忆植入）。与远程离岸评估一样，这种能力还不可行，但仍然是脑机接口领域的一个目标。
三是，脑机接口的未来前景是与物联网（IoT）的整合，通过互联网将系统连接起来。美国防部认为，物联网可以通过实时监控装备与武器系统的状态，提高战备水平。物联网具有战术应用前景，包括使作战人员访问传感器和数据，而脑机接口则可以强化这种能力。
2.技术挑战和风险
最重要的技术挑战是信号清晰度和侵入性系统提供的特定神经元靶向能力之间的平衡，以及非侵入性系统的适用性。DARPA的下一代非手术神经技术（N3）项目目前正在开发一种便携式非侵入性系统来解决这些挑战，该系统可同时对大脑中的多个点进行读写。提供高保真度信号的侵入性系统，会带来与手术相关的风险，包括出血、感染或脑损伤。
目前大多数植入脑机接口的传感器只能使用2～5年，而一些灵长类动物实现传感器接收信号需要长达7～8年的时间。在保持信号质量的同时，传感器要降低硬度、缩小尺寸并延缓退化速度，仍然是一个长期性难题。
开发带有额外通道的传感器，以提高精确度并减少可能导致组织损伤的传感器功耗，也是一个难点。还面临在大脑中精准放置传感器等挑战，脑机接口所需的放大器、电缆、传感器等硬件，对于实验室之外的实际使用来说仍然过于庞大。
无论是侵入性还是非侵入性系统，都需对从神经元收集的数据进行分析，而随着脑机接口技术的发展，精确解码也是一个难题。
二、如何在军事环境中应用脑机接口技术
未来战争的几大战略趋势
对地区霸权的竞争在加剧；孤立国家和地区防御难度加大；美国军事优势的数量和质量在下降；战争与和平之间的界限日益模糊；反恐战争持续进行。此外，对国家间战略竞争的关注不断增加，势均力敌对手之间发生潜在冲突的可能性上升，均为未来对手掌握更多资源和先进技术能力创造了条件。
对未来作战人员的要求
在作战层面，战争的特点和人类作战人员的作战经验在很大程度上由军事技术的快速革新驱动。美国和潜在对手都在开发和部署新的战场技术，人类和机器之间的协作关系进一步密切，并对未来作战人员的认知能力提出新的要求。关于脑机接口的潜在应用，对未来作战人员也提出更高要求：从人类与机器的网络中消化并集成大量数据；更迅速地做出决策，适应人工智能、自主武器系统的进步及连通性的增强；对更多数量和类型的机器人进行监控，包括蜂群机器人。
脑机接口系统可提高作战人员处理数据的能力
未来作战中，大量的信息融合将增加决策的复杂性。例如，在地面作战中，信息源包括声音传感器网络这样的工具，可提供远距离炮火的位置，或者运用无人机跟踪器来探测蜂群机器人。在由物联网定义的未来战场上，智能设备、士兵穿戴式传感器和无人机可向士兵提供大量的行动数据。广泛的数据和新的信息来源可提升未来态势感知，但也使作战决策者要处理的事项更加复杂化。连通性的增强，将拓展人与人之间或人与机器之间传递信息的来源，并提升信息传输的速度。目前美军已在寻求方法，促进数据在作战人员和决策者之间快速而广泛地流动，使得相互连接的军事系统能够顺利运行。脑机接口系统未来可为此提供支持，人类分析人员和作战人员可对更多的信息数据进行更有效的监控和开发。
有利于解决信息过载的潜在问题
为解决信息过载的潜在问题，未来军队人员可能会更广泛地用到人工智能。未来战场上，人工智能工具可帮助人类作战人员评估环境，管理数据，并最终消化更大容量的信息。随着人工智能和快速连接越来越多地融入军事行动，战争的节奏将继续加快。因此，决策速度也需要加快。在未来的几十年里，美国及其竞争对手均会寻求新方法来加快决策周期。
三、脑机接口在当前作战环境中的应用
一是“合成心灵感应”。目前，脑机接口技术对军事人员有用的一个领域，是人类作战人员之间的“合成心灵感应”。2009年，DARPA的“无声对话”项目向研究机构授权，研究“在战场上通过神经信号分析而不使用发声语言，进行用户间通信”，这一应用可大幅提升通信的保密性。直接进入人脑也可增进指挥官对其部队认知状态和心理状态的了解。
二是美国防部探索脑机接口技术在作战或战备中提升认知能力的运用。通过电刺激或化学刺激，增强军人的认知能力，这可能带来潜在的军事应用，包括改善对作战任务的记忆或战斗机飞行员对大量信息的存储。近期，空军研究实验室的研究人员强调了与高水平多任务环境相关的认知挑战，借此推动在军事背景下的经颅直流电刺激（tDCS）应用研究。国防部还投资于运用脑机接口加快军事训练进度的项目。
三是脑机接口还可用于减轻疼痛或调节恐惧等其他情绪。DARPA的电子处方（ElectRx）项目旨在通过开发非药物疗法来支持军事行动准备，治疗疼痛、一般炎症、创伤后应激反应、严重焦虑和刺激外周神经系统引起的其他症状。应用脑机接口来改善管理似乎是可行的，在战斗中也有可能产生强烈的积极情绪，例如肾上腺素的增加就可提高体能。
四、脑机接口在未来作战中的应用潜力
脑机接口可提高人类的决策速度和准确性脑机接口理论上可用于帮助未来作战人员在更短的时间内做出更明智的决定，或比现在的对手更有效地利用更多的机器人系统进行交战。实验室研究表明，脑机接口可提高人类的决策速度和准确性。在未来的脑机接口团队中，人工智能可将有人飞机或无人机的初始数据分析直接传输到作战人员大脑的相应中心，从而进一步减轻认知负担。在作战中，脑机接口可通过新的信息呈现方式，绕过物理感官，加速作战人员的观察、定位、决策与行动（OODA）循环。
脑机接口帮助人类保持对作战决策的监督一些学者假设，人工智能战场可能会导致战争的阶段发生改变，行动速度超过人类的决策速度。一些中国学者将其称为“战场奇点”，一些美国学者则将这一概念称为“极速战”。如果该假设准确，那么脑机接口将是让人类在战争中有效参与决策并与机器保持同步的唯一途径。采用脑机接口将人与机器进行有效集成，不仅是一种战术优势，而且是战争中的核心战略优势。脑机接口系统可以实现“半人马作战”，在利用“自主系统精确性和可靠性的同时，保持人类智能的稳健性和灵活性”。在战场上，关键问题是脑机接口是否允许人类在未来人工智能驱动的作战节奏中做出有意义的决定。
脑机接口可协助作战人员在作战中管理无人系统或无人集群通过脑机接口对车辆、机器人或无人机群进行免提控制，这种能力可将作战人员的双手解放出来，用于完成其他任务，比如携带传统武器等。相对于人类作战，脑机接口还可使作战人员能够利用无人集群实施更多行动。
五、利用“未来脑机接口工具箱”对脑机接口能力进行兵棋推演
兰德公司团队以“未来脑机接口能力工具箱”为中心，实施了国家安全兵棋推演。该推演初步假设了对特定脑机接口工具的需求，并阐明了潜在的应用案例。
（一）“未来脑机接口工具箱”
结合技术概要和对未来作战需求，设计一个包含6项未来脑机接口能力的工具箱。前3项能力涉及人与人之间以及人与机器之间的连接；后3项能力则与人的表现和训练有关。包括：人机决策、人机直接系统控制、人对人通信与管理、表现监测、认知和身体表现强化，以及脑机接口训练工具。
图1：国家安全推演中的脑机接口工具箱
（二）脑机接口能力的作战相关性测试
兵器推演为期一天，召集专家参加两次城市地面作战任务，推演要求参与者在两次城市作战任务中，跨越任务指挥、情报、射击、移动与机动、部队防护和维持等6种作战能力，对工具箱中的6种脑机接口能力进行运用，并对其相应的效能进行衡量。
（三）在推演中了解脑机接口的应用
该推演产生了几类见解，有助于理解脑机接口在城市作战中的效用。推演初步结果显示，脑机接口能力可在城市战中发挥重要作用，这也支持了团队的最初假设。
第一场景：建筑物危险清除
第一个场景，建筑物危险清除。在该场景中，参与者引入了两项重要的子任务，即平民定位和击毙敌人。由此派生出来的具体任务包括通信传输、穿越多个房间对部队进行控制，以及确保态势感知。总的来说，参与者认为关键问题是信息搜集和人员管理，因此更多精力主要用于找到有助于沟通和决策的脑机接口解决方案。
第二场景：伏击和伤员撤运
第二场景根据《城市地形军事行动》条令对伏击的阐述进行改编，包括费卢杰战役第一手记录中所描述的伤员撤运。该场景还明确融入了预计在2040年时间框架下，美国和对手可能使用的未来非脑机接口技术，包括自主杀伤工人智能，空中和水面无人系统群，先进电子战，一体化情报、监视与侦察，态势感知和火力支援。
在本场景中，重点从通信转移到对多个平台的控制和医疗援助。虽然参与者确实认为类似的脑机接口技术就像在第一个场景中一样对指挥控制和情报有帮助，但在讨论中这些作战功能远远没有那么突出。相反，参与者更重视需协调的多平台，以提升态势感知、火力支援和医疗撤运能力。
其他运用案例
参与者也注意到脑机接口在其他一些领域的作用，而不仅仅局限于特定场景。例如，参与者认为可为机械师提供脑机接口效用，在维修时可利用基于机器学习的诊断或高级技术人员的经验。此外，如果场景中的部队有盟友伙伴一起行动，脑机接口可克服语言障碍，进行顺畅沟通。场景持续时间较短，将认知疲劳和身体疲劳对参与者决策的影响降至最低。
（四）推演过程
推演设置的两个场景都经历了6个阶段:（1）获取工具箱中列出的脑机接口功能筹码；（2）接收战术场景；（3）根据作战职能安排，在场景中对必须完成的任务进行讨论；（4）在可能的情况下，作为个体选择参与者会用到的脑机接口能力；（5）作为一个团体,对相关选择进行讨论，明确一致的领域或澄清不一致的领域；（6）接收专家关于对手如何利用脑机接口能力的反馈，并对步骤4和步骤5中开发的方法存在的风险进行讨论。
图2:脑机接口兵棋推演流程
（五）推演结论
在研究中确定的7种脑机接口能力中，发现其中3种能力在两个推演场景中用得最多。首先，参与者优先考虑脑机接口对人机决策的支持，认识到在混乱的作战中对来源众多的信息进行整合，或在战斗中加快决策速度带来的益处。其次，利用脑机接口直接系统控制，作战人员可对半自主系统和无人机群实施免提控制。第三，身体表现强化工具可增强听觉和视觉能力，或提升外骨骼控制的流畅性。
参与者指出，未来部队成员之间脑对脑的直接交流，可促进部队协调行动实施建筑危险清除，这可能是革命性的，要求的技术要比2040年时间框架下能实现的技术更为先进。
六、脑机接口技术应用的潜在风险
一是作战脆弱性。①潜在故障点。主要的薄弱环节是，对脑机接口应用的依赖，可为对手提供新的方法来阻止技术的应用，从而降低部队作战效能。②对手获取新信息的途径。除信号被阻塞的风险外，还存在对手拦截和利用信号的风险。通过技术可掌握作战人员的情绪或认知状态，这可能成为对手搜集情报的途径。③易受伤害或影响的新领域。脑机接口技术的侵入性装置可能会造成最严重的身体缺陷。入侵脑机接口能力可成为对手直接进入作战人员大脑情绪和认知中心的途径，从而制造混乱或扰乱情绪。在极端情况下，对手侵入脑机接口设备，影响人类作战人员的运动皮层，理论上可发出错误指令，或引发攻击友军等无意识行为，尽管这种影响短期内在技术上仍难以实现。
二是制度弱点。①信任问题。军队人员可能不愿向美国政府或其机器提供进入他们大脑内部进行操控的通道。脑机接口可能产生的潜在决策速度，以及将任务委托给人工智能，都会引起作战人员的特别担忧。②单位凝聚力的侵蚀。虚拟通信技术的进步，使得“聊天室协同打击”减少了士兵之间的情感和心理联系。在某种程度上，它们将取代军事单位成员之间的传统互动，未来的脑机接口能力将从根本上改变这些人际关系的性质。③基层部队领导力的削弱。允许高级军官监视和直接与作战人员大脑进行交流的技术，将微观管理扩展到新的领域，可削弱班一级基层单位的有效领导。
三是伦理和法律风险。①脑机接口作战人员面临的风险。侵入性技术将带来手术感染的直接风险。脑机接口所带来的“超人”能力（如控制机器或增强认知能力）的消失，可能会引发心理上的伤害。在采用脑机接口技术之前，国防部制定有效的隐私政策是有益的。伦理学家还强调独立的机构审查、适当的培训和遵守国际准则的必要性。②脑机接口作战人员应担负的职责。脑机接口可促使人类加快决策速度，即使技术上可行，也不清楚在必要时间范围内做出的决定是否符合合理的道德和伦理判断。脑机接口也有助于分散作战人员的责任。一旦人类和机器通过脑机接口进行更紧密的合作，在激烈的作战中做出使用武力的决定，可能就更难确定“有意义的人类控制”或“适当水平的人类判断”的意义。
七、建议措施
一是扩展分析以阐明作战相关性和脆弱性。未来几十年，驱动脑机接口发展的关键，是作战需求和风险，而不仅仅是技术机遇。为达到这一需求，开发了一套系统方法来对脑机接口和其他超视距军事技术的潜在作战应用进行评估。在兵棋推演期间，作战经验与技术专长的融合，引发了讨论，这个过程应该在更大范围内推广。这些方法可为现有的内部演习提供补充，如陆战队的先进海上技术演习，以探索脑机接口和其他前瞻性技术给未来作战人员带来的实际效用。
此次推演挖掘出了潜在的作战脆弱性，以及消除这些脆弱性的初步措施。由于美国政府试图在脑机接口早期开发阶段达到一定的适应能力，类似的方法有助于全面挖掘对手的潜在威胁。
二是解决信任赤字。这项研究得出一个主要结论，就是脑机接口的文化阻力可能很高，尤其是在军队人员中。在未来几十年的研发过程中，非侵入性措施可能不会遇到太大的文化阻力，它们也可能更容易撤销和控制。目前药物或治疗的应用可在短时间内帮助受伤的作战人员康复，可能遇到的文化阻力最小。军队人员更倾向于相信那些在使用前经过合理评估和测试的能力。因此，一旦脑机接口能力得到进一步发展，在引入作战之前，在非作战场景中进行故障稳健性测试，包括训练、数据处理和分析，有助于加强信任并减少潜在的意外风险。
三是协作与预测。美国政府应充分利用私营部门的研发成果，即使采取较为谨慎的步骤，私营部门取得的进步也可改善军方内部的信任鸿沟。脑机接口开始在美国公众中使用，可减少人们对其在国家安全环境中使用的怀疑。随着私营部门技术的进步及其在军事领域的应用，对于脑机接口，应考虑到《国际武器贸易条例》《出口管理条例》及其他限制条件。在发展初期，美国防部和商务部应该对脑机接口知识产权进行谨慎监管。此外，随着新兴技术的加速发展，有必要对集成系统以及不同技术的相互依赖关系进行思考。当前应为脑机接口的最终可用性做出规定，即使相关应用目前仍处于基础研究阶段。
四是对脑机接口的制度影响进行预先规划。在研究阶段，有必要继续将伦理、法律和社会因素纳入研究资助范围。DARPA目前要求研究团队对众多与脑机接口相关的授权进行伦理层面的分析。在国防和国家安全领域，除进行新型脑机接口技术开发、设计和应用过程中的基础研究之外，还应继续推进严格的内部分析。在开发和应用方面，美国政府应继续遵循国家科学院在伦理方面的建议,尤其是关于：军队人员特有的准许问题；侵入性脑机接口对健康的潜在影响；围绕人类表现强化的考虑；潜在的隐私风险。
国防科技要闻（ID：CDSTIC）授权转载
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