科学网-脑机接口技术的军事应用前景及其挑战-苗焕玲的博文

脑机接口技术的军事应用前景及其挑战

2025-5-27 18:03

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论文简介

【编辑荐语】

本文将给大家分享《控制理论与应用》第41卷第11期论文"脑机接口技术的军事应用前景及其挑战(Military application prospects and challenges of brain computer interface technology)". 如您对本文相关内容有好的理解与建议, 欢迎评论区留言.

在神经科学与军事技术的交汇点上，脑机接口（BCI）技术正开启一场革命。本文深入探讨了这一技术在现代军事领域的应用现状、未来前景以及面临的挑战。我们将从脑控和控脑的双重视角，解析脑机接口的核心概念与技术路径。文章将特别聚焦于脑机接口在提升武器装备智能水平、增强战员能力、认知状态监测与调控、以及神经系统损伤修复等方面的军事应用，揭示其在战场上的巨大潜力。同时，我们也将审视脑机接口技术发展的关键因素，包括脑认知机制研究的重要性、伦理法律体系的构建，以及信息安全与隐私保护的挑战。

【论文介绍】

脑机接口技术的军事应用前景及其挑战

刘亚东，李明，周宗潭

单位机构：国防科技大学智能科学学院

引用格式：刘亚东, 李明, 周宗潭. 脑机接口技术的军事应用前景及其挑战. 控制理论与应用, 2024, 41(11): 1991 – 2001

DOI: 10.7641/CTA.2023.30281

摘要

论文旨在讨论脑机接口技术的军事应用现状与前景及其在未来技术发展中将要面临的挑战。首先, 从脑控和控脑两个方面对脑机接口的概念内涵、当前技术实现途径等开展了讨论; 其次, 从脑机协同武器装备操控、脑机接口技术支撑的战员能力增强、战员认知状态检测与调控、战员神经系统损伤修复等4个方面对脑机接口在军事领域应用现状和潜在应用前景进行了分析讨论, 特别是展现了脑机接口在武器装备智能水平提升以及战员战斗能力保持与增强等方面的巨大应用价值; 最后, 从脑认知机制研究对脑机接口发展高度的决定作用、研究应用的道德与法律伦理体系规范建设、信息安全与隐私性等3方面讨论分析了脑机接口技术进化, 特别是在军事应用中将要面临的挑战。

前言

1.1 脑机接口的概念内涵

脑机接口技术的目的是在脑与外部环境之间建立相互作用的直接通道, 如利用大脑认知相关神经生理信号操控外部设备, 或利用外部的声光电磁等手段调控大脑认知活动。脑机接口是智能人机交互的高阶形态, 在装备操控、战员体力增强、战员认知能力增强、战员认知状态调控、战场静默通讯等领域具有重要军事应用价值和广阔的应用前景。

脑机接口技术可以分成“脑控”和“控脑”两个方面。其中脑控技术是指利用大脑的观测和刺激反馈手段, 绕开人的肢体运动、喉部发音等肌肉系统, 建立从人脑到外部设备的直接信息通道。基本做法是通过观测大脑判读大脑的意图, 并将意图传递给外部设备。目的是增强人脑意图的实现能力, 或者增强外部设备的智能化水平。脑控技术的发展目标从现阶段来看, 是通过观测大脑判读大脑意图直接交给外部设备实现; 远期目标是实现人机协同的最高层次——人机融合, 使得外部设备和人脑/人体形成一个有机的整体。

控脑是指以物理、心理、药物等手段调控大脑认知状态, 甚至实现外部向大脑直接的信息传递。控脑现阶段目标是利用物理手段通过人脑感觉通道的节律刺激(如音乐、皮肤的震动)、皮层的直接声光电磁刺激以及使用药物等手段, 达到增强或者减弱认知能力的效果。远期目标有两个: 一是直接向脑的不同功能系统输入信息, 如注入记忆、传输感觉信息等; 二是通过大脑调控实现认知能力的精细操控。

1.2 脑机接口技术中主要的脑作用手段

无论是脑控还是控脑, 都需要建立物理渠道实现对脑直接或者间接的观测与作用。现阶段这种观测与作用手段的性能直接决定着脑机接口的技术性能和实践效果。未来, 脑观测技术的突破很可能会带来脑机接口的突破。这种突破方式具体以什么样的形式出现还未可知, 但领域研究者正在从声光电磁等多种物理渠道探索新型脑机观测/调控技术。如美国国防高级技术研究计划局(defense advanced research projects agency, DARPA)于2018年提出的“下一代非侵入神经技术”计划斥资20亿美元, 核心就是提升脑的观测能力。计划的目标是开发出新的无创技术, 实现神经元脉冲级别的神经元信息观测, 要求无创技术能够在10ms内读取/写入1立方毫米的脑组织。

要建立脑控系统, 首要的是要实现对大脑意识的观测并基于观测信号实现大脑的意图的推测。原则上, 目前脑科学中观测大脑的技术手段都可以用于脑控技术研究。从实际情况来看, 目前脑控技术中应用最为广泛的观测技术是: 微电极技术、皮层电极技术(Electrocorticography, Ecog)和脑电图技术。

控脑技术能做的并不是对大脑的完全控制, 而是使用物理(电、磁、光、声等)、心理(阈下植入技术、心理围栏等)、药物等手段影响大脑的认知状态(如提升我方人员认知能力, 降低敌方人员认知能力), 影响人脑的信息加工结果(如做出错误决策)等。

1.3 军事领域脑机接口的发展现状

脑机接口目前已经成为了国际重要的竞争领域, 无论在军事领域还是国民经济领域都是如此。DARPA始终关注脑机接口技术。脑机接口这一技术就是起源于DARPA20世纪70年代资助的课题。此后DARPA持续支持了这方面的研究。如2004年投入2400万美元资助“ 思维控制机器人”的研究工作, 2006年资助了“基于神经科学的情报分析系统”项目, 这个项目将经验丰富的情报人员与电脑情报自动分析系统融合起来, 实现更为高效准确的情报分析。DARPA于2014年4月成立了生物技术办公室, 旨在研究使士兵保持最佳战斗力以及迅速、全面恢复战斗力的新技术。可以统称为人体增强技术, 其中的支撑技术之一就是脑机接口技术。2016年, 提出了“神经工程系统设计”的研究项目, 研发一种可植入人体的神经接口, 能够使人脑与计算机直接连接。2018年, DARPA提出N3计划, 目的是在无创或者微创情况下, 实现基于神经元脉冲信号/皮层电位信号的脑机接口性能, 也就是利用无损或者微损技术实现有损脑机接口的性能。目的是实现超级认知、快速决策和脑控人机编队等脑控和控脑能力。神经工程系统设计项目和N3计划属于不同的技术路线, 但都已经将脑机接口在士兵身上实际使用作为了研究目标。2020年, 美国空军研究实验室启动为期3年的“个性化神经学习系统”项目, 旨在创造一种新颖的混合脑机接口, 以实时提取军事人员的大脑信号和其他生理指标, 从而确定其大脑学习状态, 并帮助飞行员直接通过脑机接口快速获取知识、技能和信息。

美国国防部2013–2017年科技发展“五年计划”重点关注了六大颠覆性基础研究领域。人机混合、脑机交互是核心问题之一。在脑控方面, 具体研究包括“人机合一”控制系统, 也就是脑控机器人、“超级士兵”等平台。通过脑控外骨骼使人–机融为一体, 建立像科幻电影中钢铁战士那样的超人, 使美军士兵人体效能大幅增强, 颠覆未来作战模式。在控脑方面, 主要研究思维的干扰与控制, 使美军具备干扰敌方人员大脑功能的不对称作战优势。

美国商务部工业和安全局2018年11月针对14类 “新兴和基础技术”进行出口管制, 其中包括脑机接口技术, 具体包括: 1) 脑控接口; 2) 意识–机器接口; 3) 直接神经接口; 4) 脑与机器接口。2021年10月26日,美国商务部工业和安全局发布预通知将脑机接口技术列为对美国国家安全至关重要的潜在新兴和基础技术, 对其相关技术的出口转让等进行管制。

2020年, 美国兰德公司发布了《脑机接口: 美国军事应用和意义的初步评估》研究报告, 分析了“脑机接口”在未来军事领域内可能的应用及其可能的风险及挑战。

2022年9月, 美国国会机构政府问责局发布了《脑机接口》焦点报告, 介绍了脑机接口技术的原理与技术成熟度, 以及风险、机遇与挑战, 并提出了4个在政策制定时需要考虑的问题。可以预见脑机接口技术将成为生物技术和信息技术深度融合的新焦点。

我国针对脑机接口与人机融合也制定了相关研究计划。如 “国家中长期科学和技术发展规划纲要, 2006–2020年”中正式将脑机交互列为“脑与认知科学” 基础研究重大科学前沿的核心课题之一。2017年国务院印发的“中国新一代人工智能发展规划” , 将人在回路的混合智能、人机智能共生与脑机协同理论与技术列为新一代人工智能基础理论与关键共性技术。2021年中国脑计划的“一体两翼”均将脑机接口作为重要研究领域。

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图1 “脑在回路”的脑机协同操控示意图

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图2 日产汽车开发的脑控车技术, 通过脑机接口预判驾驶员意图, 实现脑机协同驾驶

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图3 DARPA于2015年研制了一套脑控无人机系统

结论

脑机接口技术是人机交互的高级形式, 也是人机混合智能的高阶阶段。目前在基础研究、人工智能、军事领域内已经得到了广泛关注, 在机理研究和应用能力建设上都取得了显著的进展, 表现出了广阔深入的应用前景。未来战争的决胜因素依然是人, 脑机接口这项同时以人为手段和目的的技术将在未来军事智能化建设和战斗力生成中发挥重要作用, 在若干应用方向上可能具有颠覆作用。对脑机接口基础研究与应用研究的积极布局应有前瞻性。特别的, 应该加大研究与建设力度, 努力形成我军在研究应用上相对外军的比较优势。

作者简介

刘亚东教授, 目前研究方向为脑机接口、混合智能、模式识别等李明副教授, 博士, 目前研究方向为认知状态评估、脑科学与人工智能周宗潭教授, 博士生导师, 主要研究方向为模式识别与智能系统、生物视觉与计算机视觉、智能机器人与脑机接口等

期刊介绍

《控制理论与应用》(Control Theory & Applications)是经国家科学技术部批准, 教育部主管, 由华南理工大学和中国科学院数学与系统科学研究院联合主办的全国性一级学术刊物, 1984年创刊, 月刊, 国内外公开发行. 《控制理论与应用》是中国科学引文数据库首批统计源期刊之一，中文核心期刊，入选中国精品科技期刊顶尖学术论文F5000项目，中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录以及中国科协百篇优秀科技论文遴选计划，2021年入选广东省高质量科技期刊建设项目，2022-2024年连续获得基金委资助（科技活动专项）.

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