机械骨骼、意念控制 2030年人体系统的2.0时代_6

作者: admin 分类: 科技 发布时间: 2019-11-14 15:05

  如果将自然给予人类的人体机能看做是最基本的1.0系统,那么系统的升级,就要依靠人类科技的不断进步,自我改造。人体机能增进装置,有可能在15到20年后,从头到脚武装人体,提升人体的各种能力。

  新闻背景

  2012年12月,美国国家情报委员会发布《2030全球趋势:多元化世界》,这是该机构第五次发布这样的框架性趋势预测。报告称,我们所处的时代,是一个转折点,将引领一个与现在有着巨大差异的未来。报告认为,未来不是一成不变,而是有很强的可塑性,是信息化发展,创新发展以及人类能动性互相作用的结果。

  而由于科学技术在全球大范围的飞速发展,全人类将变得更加聪明健康。到2030年,人类有可能就像选择整容让自己变美那样,通过选择一些科学手段让自己变得更加聪明、更加健康。

  该报告将这些能够增强体能的科学手段统称为人体机能增进装置。

  全球技术研究和咨询公司Gartner也在其刚刚发布的《2012-2013年技术曲线成熟度报告》中预测,除了信息技术的多项前沿科技将突飞猛进的发展,另一项将在市场形成规模的技术就是人体机能增进装置,将提高人类感知能力与体能。这其中包括,机械外骨骼、脑机接口、视网膜植入、听觉增进装置,甚至是提高智力的神经性药物。

  两份报告都认为,人体机能增强的技术可以使得普通人以及军人更加高效的工作,并且能够在此前无法进入的环境中工作。而对于年老者,这些技术也可以提高他们的生活质量。

  进入人体系统2.0时代,要选择怎样的系统配置、安全与否就需要我们理性的判断了。

  体能配置:机械外骨骼更快更强

  机械外骨骼,非常类似于昆虫的外骨骼,能穿在人身上,给人提供保护、额外的动力或能力,增强人体机能,如使腿残疾的人能自己上楼,让士兵健步如飞、无障碍奔跑而且不会疲劳、不会受伤等等。也被称为可穿戴型机器人。

  记者从美国国家情报委员会的报告中了解到,他们认为,随着技术领域整个范围的跨越式增长,外骨骼埋植以及动力假体等技术的突破将大大增加人类先天的能力,并且修复丧失的机体功能,比如四肢的残疾。假肢技术在目前已经可以在一定程度上提升人类肢体的能力。而很多军事机构也在尝试通过技术改善士兵体质机能,包括增强外骨骼力量,以增加个人的负重能力。

  军方热衷提高单兵作战能力

  2012年,关于机械外骨骼装置的报道有很多,包括日本、美国等国家都有新研究成果不断地出现。日本东京理科大学小林宽司在2012年发布了他们的最新装置,重达9.2公斤的机械外骨骼装置,可以让人轻而易举地举起40公斤的大米。

  几十年来,美国军方一直在考虑利用有动力推动的外骨骼套件,让士兵随身背负着沉重的装备以及更大的武器装备的同时还能灵活运动。同时这种套件还可以运用在救援方面:为受伤后的重建、康复提供帮助。

  最早进行外骨骼机械装置研究的是美国的洛克希德马丁公司,它是全球最大的国防工业承包商。他们在2009年就推出了一套可以大幅度增加士兵负重能力的金属骨架HULC,它的最大负重可以达到90.7公斤,其内部配备的液压传动装置和可像关节一样弯曲的结构设计,不但能够直立行进,还可以完成下蹲、匍匐等很多复杂的动作。士兵穿戴这套外骨骼可以背负36.7公斤重的物资以每小时3.2公里的速度行进。

  而在洛克希德公司之后,美国雷声公司也为军方研制出了更加先进的外骨骼装置,并不断改进。穿戴该装置的士兵,一个人可以承担2到3名士兵的工作量。

  目前,机械外骨骼类的研究,都主要是针对失去部分运动能力的人,帮助其恢复相关能力。比如美国埃克索仿生公司(Ekso Bionics)生产的仿生学套装就帮助一个高位截瘫的年轻人重新获得了行走能力。

  在我国,相关方面的研究也在近些年起步。2007年,中国科学院合肥智能机械研究所启动了可穿戴型助残助老智能机器人示范平台项目,并且在2012年4月通过验收。

  普及还需人机和谐

  从各国不断成功的案例来看,这种外机械骨骼的普及似乎确实离我们不远了。中国科学院合肥智能机械研究所研究员葛运建告诉记者,目前对于机械外骨骼研究来说,最终要研究的不是外骨骼装置,而是人机和谐的问题。也就是说如何让机器判断人的运动意图。避免机器拖着人走或是人拖着机器走的运动方式,这还需要时间来解决。

  目前,这个方面还有很多未能解决的问题。在美国,目前的机械外骨骼主要是应用在部队军人的身上,这种机器装置还处在比较简单的阶段。葛运建说。

美军发布的XOS2外骨骼系统

  葛运建告诉记者,对于人体运动意图的判断有多种方式,比如脑电、机电等。中国科学院合肥智能机械研究所研究的外骨骼装置,主要是通过机电的方式判断人体的运动意图。这是一种类似心电图测量的仪器,机电片要贴在人体的肌肉上,以获得人体运动的信息。

  《2030全球趋势:多元化世界》报告中,对机械外骨骼装置的未来发展如此描述:埋植技术将可以实现把外骨骼埋植在机体内,实际上成为一种替代骨骼,从而提高人体的机能,比如行动速度、负重能力等等。

  对此,葛运建说:目前,我们所关注的重点,还是在非替代性的助力装置,目的是帮助年老和残疾人士恢复行动能力。

  大脑配置:实现意念控制

  作为大脑埋植技术之一的脑机交互技术已经证明大脑可以直接控制机器。这种技术,人们更喜欢称为意念控制,听起来更加诱人。意念控制装置涵盖的层面很广,包括智慧型义肢、机器人甚至车辆和武器。

  美研制出智慧义肢

  目前这种技术更多还是致力于帮助残障人士重新获得行动能力。美国有很多企业和机构正在发展这种意念控制型义肢。

  英国医学杂志《柳叶刀》2012年12月17日刊发了美国匹兹堡大学研究人员的研究结果,在一位颈部以下瘫痪的女患者脑运动皮层植入传感器,使其单凭意念即可操作机械手臂。这名女患者可以控制机械手臂将一块巧克力送入口中,其灵敏度比以往的研究更接近于一个正常人的肢体。

  匹兹堡大学医学中心的研究人员在她脑部左边的运动皮层上植入两个微电极装置,这部分的运动皮层对控制人的四肢运动起着关键作用。研究人员将这些电极通过电脑与机械臂实现互联,电脑将脑部发出的电波通过复杂的算法转化为数字信号来控制机械臂。通过几周的训练,她可以用自己的想法控制机械臂像手臂一样执行简单的任务。

  研究人员称,准确地翻译大脑信号是思维控制假肢的最大挑战之一。目前,研究人员正尝试引入无线通信技术,以便去除连接瘫痪病人脑部和机械臂之间的线路,让这些辅助装置变得更轻便。

  浙江大学求是高等研究院副教授陈卫东告诉记者,我国的脑机接口研究起步虽晚,但工作相当出色,清华大学、华南理工大学、电子科技大学、东南大学等研究团队在非植入式脑机接口领域取得了令人瞩目的成绩。

  在植入式脑机接口方面,浙江大学求是高等研究院建立了国内唯一的非人灵长类动物脑机接口研究平台,实现了对智能机械手的多个抓握手势的直接神经控制,取得重大突破;浙大团队在动物机器人等方面也取得国际水平的成果。当然脑机接口的研究涉及多个领域,有很多领域与国际水平还有差距。

  脑机接口双向控制还需时日

  陈卫东告诉记者,脑机接口是脑与外部设备之间建立的一条直接通信与控制的特殊通道。通常情况下,脑与外部肌体的交互是借助神经肌肉通路进行的,比如大脑发出指令传导到外周神经,驱动肌肉肢体实现操作。而脑机接口则绕开了常规的神经肌肉通道,采集的大脑神经信息经过计算机解码转化为指令,来控制外部设备;同样道理,外部信息也可以经脑机接口直接传入到大脑。

  美国匹兹堡大学的研究人员也希望补充一个感官回路到他们研制的智慧义肢上,将信号反馈到大脑,从而让使用者感受到所触碰物体的冷和热,或表面光滑和粗糙之间的差异,让义肢更接近真实的手臂。

  陈卫东介绍,脑机接口技术其实已经有成功的应用,比如大家熟知的人工耳蜗、脑起搏器(深部脑刺激)等就是成熟的脑机接口技术,近年来国外还用脑机接口技术开发了治疗癫痫的产品。随着脑机接口技术的发展,未来在康复、教育、娱乐游戏、人体机能增进、安全、救灾等领域都会有广泛的应用。

  陈卫东所在的课题组在脑机接口领域也开展了广泛的研究,涉及了非植入式、植入式、康复工程、动物机器人、智能融合等方面,主要还是围绕植入式脑机接口开展研究工作。

  脑机接口的信息传递包括两个方向,包括从脑到机、从机到脑,当前国际实现的脑机接口系统绝大部分是单向的脑到机,也就是所谓的意念控制。陈卫东说,还有部分是从机到脑,用于实现对动物行为的控制或诱导,即动物机器人。实现双向脑机接口是当下国际科学界的研究热点之一,不过难度相当大。

  陈卫东认为,脑机接口实现人类机能增进,给人们绘制了一个诱人的前景,通过科学家、工程师、企业家的共同努力,人类一定能提前享受到这一成果。不敢说这是否是终极目标,也许是,也许不是,但最起码这将是一个重要里程碑。

  可用思想控制的机械手臂,让失去肢体的患者能够按自己的意图取握东西

  记忆配置:神经药物争议

  美国好莱坞对于科技发展的嗅觉总是显得比科学界还要灵敏,2011年的电影《永无止境》就探讨了能提高人类大脑能力的药物。当然更早的出处是2001年出版的阿兰格里恩的科幻小说《黑暗领域》。小说中描述的这种神经性药物,将男主角从一个平庸的人变成了一个智商超常的人,记忆力增强、学习速度增加、分析能力提高,一跃成为商界宠儿。

  在《2030全球趋势:多元化世界》报告中,也对神经性药物的发展进行了预测:到2030年,人们就可以使用这种药物提高人的记忆力和思考速度。报告认为神经性药物能让人更长时间地集中注意力,并且提高学习能力。

  虽然聪明不聪明有很多因素决定,但是多数人都把记忆力放在首位,如果记忆力提高了,学习速度也就随之提高。因此很多科学家也在为了提高人类的记忆力,增强一些大脑功能而作出努力,包括药物研究、基因研究等等。

  2000年,神经生物学家埃里克坎德尔由于在研究记忆形成的分子机制上取得的成就,获得了诺贝尔生理学或医学奖。很多人认为,他的这些成果是发明记忆加强药物的关键。12年过去,2012年德国的研究人员发现了快乐荷尔蒙多巴胺有助提高记忆,这可能有助于有关药物的研发。

  中科院心理所研究员罗非告诉记者,药物本身是用来纠正问题的,通常当问题纠正了,就不应该再继续使用。使用太多就可能出现副作用。

  在电影中,也描述了神经性药物的巨大副作用。使用者必须按时按量服用,否则就会出现头晕目眩、呕吐、视力衰退、神志不清,甚至可能因服药而死亡。

  罗非告诉记者,美国科学协会网站也曾讨论这种药物出现的合理性。我们不排除它出现的可能性,但是通过药物提升所获得的能力,与经过训练产生的能力相比,是不够稳定的,还是需要不断地训练去稳固效果。如果完全通过药物,还可能退缩。

  罗非认为,这种药物如果存在,但被用于某种竞赛中,临时去使用提高竞技水平,这就成了一种兴奋剂,一定会被排斥。如果是在平时提高训练水平使用,被人们接受的可能性就是存在的。

  视听增进装置

  视网膜埋植晶片帮助盲人恢复视力

  无论是《2030全球趋势:多元化世界》报告还是《2012-2013年技术曲线成熟度报告》都对视觉增进装置非常看好。

  这些最新的人体系统配置,最初的目的一般都是为了弥补一些人失去某些能力的遗憾,提高生活质量。比如这两份报告中都提到的视觉增进装置,主要是指能够修补视力的植入物。国外一些企业都在研究的植入物,主要是一种晶片,可以植入视网膜。晶片可以接收视觉影像,并转化为电子信号刺激视神经,将图片信息传入大脑。

  这种类型的手术已经在一些地方有成功案例。德国在2009年就进行了一例成功的手术,2012年7月英国也通过这种技术帮助一名失明患者重见光明。在2012年5月,香港大学李嘉诚医学院眼科研究所进行了亚洲首例人工视网膜植入手术。接受手术的是一位因遗传性病变导致失明的华裔病人。这款人工视网膜布有1500个电极,是将晶片植入视网膜下。术后,这位病人的视觉功能就获得了改善,可以感受光影并可阅读投影屏幕上的字母。

  当然,如果将视网膜植入技术列为人体机能增进装置,那么它就不会仅仅限制于帮助失去视力的人重新看到世界。《2030全球趋势:多元化世界》对它的展望是,通过视网膜植入技术,人类不仅仅能恢复视力,甚至可以通过这样的手术获得夜视能力。如果这种技术普遍应用在军队,那么士兵在夜晚执行任务时,就不必再佩戴笨重的夜视镜了。

  除了视力的增进,人的五官中,听觉也是人体机能增进的目标之一。目前电子人工耳蜗的植入已经在临床上让很多有听力问题的患者获益。这种电子植入设备,由体外言语处理器将声音转换为一定编码形式的电信号,通过植入体内的电极系统直接刺激听觉神经来恢复或重建聋人的听觉功能。

  对于那些对科学极度狂热的人来说,通过这些装置,让人类变成千里眼和顺风耳似乎很诱人。而对于现实,我们是否真的想拥有这些超能力,就是个人的理性选择了。

  美国国家科学基金会对人体机能增进这个词的解释是,任何暂时性或永久性突破人类目前身体极限的尝试,使用的手段可以是自然的也可以是人工的。通常更多的是指通过人工技术手段,选择改变人类的某些特性或能力。这些技术主要都是非治疗目的的,很多生物伦理学家认为这些非治疗目的的人体机能增进技术必须受到限制。

  美国国家情报委员会的这份报告,所关注的就是非治疗目的的技术,为人类描绘了一个高科技的未来。这些为人体系统2.0时代准备的系统配置,恐怕在15到20年后依然是成本很高,因此,能够选择它们的人还只限于那些能够支付起高额费用的人们。

  报告称,在这样的形势下,可能导致社会分出两个阶层。一个是使用了人体机能增进装置的人群,而另一个则是没有选择机能增进的人群。因此,这也要求有更多的相应的规则维持社会秩序的正常。科技的发展需要更加安全,从而防止这些人体增进装置受到不利的干扰。技术的协同性和适应性的进步是必要的,可以促进人类机能增进技术的实用性。

  比如,用于机械外骨骼的电池装置,必须能适应机械外骨骼的使用时效。而改进大脑功能的药物也一定会受到质疑和规范。

  就像我们使用电脑时希望它的功能更强大,而不断地升级系统一样,人类一直盼望自己能够更快、更高、更强。也许以上这些人体系统的新配置能够在20年后在我们的生活中普及,但是也一定需要长期的科学验证,以确保它们的可靠性和安全性。

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