【认知科技】人类增强技术：基于MEMS的神经接口系统及其未来应用
文摘
科技
2024-10-25 20:02
北京
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《微纳系统通讯》（Micro and Nano Systems Letters）期刊2024年第12卷第17期刊登Yoon和Cho文章《人类增强和个人作战能力综述：聚焦基于MEMS的神经技术》（A Review of Human Augmentation and Individual Combat Capability: Focusing on Mems-Based Neurotechnology）。
文章主要探讨了人类增强技术与个人战斗能力提升之间的关系，特别是通过微机电系统（MEMS）基础神经技术的应用来克服物理和心理限制。文章首先解释了人类增强技术的背景，并分析了人类增强与认知能力之间的关联性，这对未来的战争中至关重要。接着，通过脑工程的发展，展示了先进的科学技术如何提高军事作战能力，例如认知能力、决策能力和态势感知能力等。最后，文章回顾了用于人类增强和个人战斗能力的MEMS基础神经接口系统。
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人类增强技术：基于MEMS的神经接口系统及其未来应用1.人类增强技术的背景与概念：人类增强技术通过多种技术的整合，主动提升人类的物理、认知和社会能力，并划分为三个主要领域——物理人类增强、认知人类增强和社会人类增强2.第四次工业革命的发展与神经工程的进步：在未来的战场中，系统的自主性和实时决策能力是决定战争胜负的关键因素①认知能力的提升：非侵入式脑调制技术的应用、美国DARPA——认知技术威胁预警系统（CT2WS）②决策速度的提升：美国陆军“增强认知计划”，通过人工智能辅助人类决策，实现更迅速、更准确的决策过程③记忆力、注意力和态势感知能力的增强：脑刺激技术，可以显著提高记忆和注意力水平；实时监测大脑的前额叶和顶叶区域的信号，可以显著提高态势感知能力④身体能力的增强：代表性技术包括力量增强外骨骼、人造视觉和听觉以及康复机器人①MEMS技术简介：通过集成微型传感器和执行器，实现了与大脑的直接通信，从而增强人类的认知和物理能力②技术优势与挑战：优势（高精度刺激与监测、小型化与集成度、低组织损伤）；挑战（生物相容性问题、伦理问题、技术局限性）③未来展望与应用方向：随着技术的发展，基于MEMS的神经接口系统可以帮助士兵提高认知能力和决策速度，从而提高整体战斗力
人类增强技术的发展和应用对未来战争的影响深远。然而，未来的挑战在于建立符合适当伦理判断的制度措施，以确保人类增强技术的应用能够真正造福社会和个人。美军研究人员如何描绘认知战？提出“神经数据”与“网络大脑”的作战优势
随着科技的飞速发展，特别是人工智能、半导体和脑机接口（BCI）技术的进步，未来武器系统的概念正在不断演变。特别是随着认知领域在未来战争中的重要性日益凸显，通过人类增强技术提升个体作战能力，克服生理和心理极限，正成为全球科技力量竞争的关键因素。在全球范围内，在政府的积极支持下，它作为未来增长动力和解决社会问题的一种有前途的解决方案，发挥着至关重要的作用。人类增强技术作为21世纪“增强人类”时代的核心科技，融合了人工智能、生物工程、半导体、信息通信技术和基于MEMS的生物识别技术等多种异构技术。它通过多种技术的整合，主动提升人类的物理、认知和社会能力。具体来说，人类增强技术可以划分为三个主要领域：- 物理人类增强（Physical Human Augmentation）：这一领域的技术旨在提升硬件基础的物理能力，如视觉、听觉、力量、敏捷性、速度和耐力。代表性的技术包括力量增强机器人、3D打印和感官技术等。
- 认知人类增强（Cognitive Human Augmentation）：涉及提升大脑能力，如思考、决策、感知、理解和问题解决能力。神经工程的进步使得记忆、情境意识和决策能力的改善成为可能。在军事背景下，监测大脑信号和生理信号可以增强战斗人员的生存和恢复能力。关键技术包括脑刺激、脑芯片技术、脑机接口(BCI)、生物芯片和传感器技术。
- 社会人类增强（Social Human Augmentation）：强调沟通技巧、合作、信任和凝聚力等社会参与所需的属性。利用情感信息进行情感状态辨别，从而预防和治疗抑郁症和焦虑症等疾病。这一领域的关键技术包括人工智能驱动的生物识别、图像和语音识别和分析，以及采用生物标记的数字疗法。
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图1 人类增强技术和人类平台自克劳斯·施瓦布（Klaus Schwab）在2016年提出第四次工业革命以来，积极拥抱快速变化的先进科技的国家将成为全球领先的国家。在军事领域，有效利用这些关键技术成为各国关注的重点。未来的战场将是一个高度连接的超智能环境，系统的自主性和实时决策能力是决定战争胜负的关键因素。MEMS技术可同时测量大脑多个区域的神经信号。大脑信号的分析揭示了神经元的活动情况，通过最新的MEMS技术，可以同时测量大脑多个区域的神经信号。例如，Neuralink公司开发的脑芯片能够实时测量不同类型的大脑信号，这为识别导致抑郁症和帕金森病等脑部疾病的物质提供了可能。此外，基于脑类器官的研究也取得了进展，这些器官利用诱导多能干细胞的自发分裂和分化形成类似人类大脑的结构，用于模拟阿尔茨海默病等神经退行性疾病并开发治疗方法。![]()
图2 图片显示安装在小鼠头部的无线神经探针系统脑工程的发展对军事战斗力的提升具有显著影响。通过先进的科学技术，特别是神经工程的进步，可以显著提高认知能力和决策速度，从而增强战斗效能。3.1 认知能力的提升
非侵入式脑调制技术的应用：非侵入式脑调制技术如经颅磁刺激（TMS）和经颅电流刺激（tCS），通过使用磁场和电流电刺激额叶皮层，增强短期和长期记忆及学习能力。这种技术提高了工作效能和复杂任务处理能力，对不确定战场环境中的战斗人员尤其有帮助。它增强了记忆和集中力，提高了学习或任务表现能力，有助于处理复杂的计划和快速理解情境并进行决策。总体而言，这提升了非物质战斗能力的无形提升。大脑信号检测与威胁预警系统：美国国防高级研究计划局（DARPA）的认知技术威胁预警系统（CT2WS）通过检测和监控大脑信号来警告士兵潜在的威胁，从而减少战斗中的损失。该系统能够实时监测士兵在任务执行期间的心电图和脑电图，以应对战场上的快速变化情况。![]()
3.2 决策速度的提升
增强认知计划的实施：美国陆军的增强认知计划（Augmented Cognition Program）利用便携式传感器监测士兵在任务执行期间的心电图和脑电图，以应对战场上的快速变化情况。该计划旨在通过人工智能辅助人类决策，实现更迅速、更准确的决策过程。实时群体决策与协作：随着技术的发展，不仅个体决策能力得到提升，实时群体或协作决策能力也得到了发展。这不仅增加了决策的准确性，还加快了决策速度，降低了错误率。这种协作集体智能的发展，对于目标识别和图像识别等任务尤为重要。3.3 记忆力、注意力和态势感知能力的增强
记忆力与注意力的提升：通过脑刺激技术，可以显著提高记忆和注意力水平。这种技术特别适用于需要高度集中和复杂计划的任务，例如精密射击和复杂战术决策等。它帮助战斗人员更快地理解和应对战场环境变化。态势感知能力的增强：实时监测大脑的前额叶和顶叶区域的信号，可以显著提高情境意识。这对于复杂的战场环境和紧急情况判断非常重要，有助于提高战斗人员的整体反应能力和任务执行效率。3.4 身体能力的增强
人类增强技术的早期发展主要集中在预防老年人行动不便的治疗上，以及提升重物搬运工人的生产力和帮助残疾人恢复功能上。代表性的技术包括力量增强外骨骼、人造视觉和听觉以及康复机器人等。特别是俄乌冲突中，大量乌克兰人因俄罗斯的攻击而截肢，这些人在战后生活中面临着巨大的心理创伤和抑郁问题。通过刺激特定大脑区域或给药的方法，可以最大化战斗人员的能力。这种方法不仅有助于他们重新适应生活，还能显著提高他们的战斗力。![]()
图4 两只行为自由的小鼠之间的食物竞争和神经活动的实时监测基于MEMS的神经接口系统
4.1 MEMS技术简介
MEMS技术的进展：MEMS（微机电系统）技术在神经科学领域的应用日益广泛。它通过集成微型传感器和执行器，实现了与大脑的直接通信，从而增强人类的认知和物理能力。这种技术的进步为未来的个人战斗能力提升提供了新的可能性。MEMS神经接口系统的创新：基于MEMS的神经接口系统被认为是增强人类能力的革命性技术。这些系统能够精确记录和刺激特定的大脑区域，从而提升认知、记忆和决策能力。高精度刺激与监测：MEMS技术可以实现对特定大脑区域的高精度刺激和监测，从而提升认知能力和决策速度。小型化与集成度：最新的CMOS集成技术和MEMS后半导体工艺使得电路和电极可以集成到微小的探针中，尺寸仅为70微米。低组织损伤：Neuralink开发的神经接口系统设计用于最小化脑组织损伤，并实现稳定的长期信号测量。
生物相容性问题：由于植入物是硬质材料，可能会引起慢性组织损伤，特别是在持续的大脑微运动下。
伦理问题：涉及到对人类固有价值的讨论，包括隐私和自主权的限制。技术局限性：目前尚不能完全理解和模拟大脑的复杂性，这限制了其在实际应用中的潜力。
临床实验与安全性：当前的研究和开发主要集中在治疗各种脑部疾病和克服运动障碍上。一旦安全问题得到解决，这些接口系统将有望被广泛应用于增强人类的能力。军事应用：随着技术的发展，基于MEMS的神经接口系统可能在未来战场上发挥重要作用。它们可以帮助士兵提高认知能力和决策速度，从而提高整体战斗力。综上所述，人类增强技术的发展和应用对未来战争的影响深远。尽管目前仍有许多挑战需要克服，但脑芯片技术的发展展示了其潜力，有望在未来实现对大脑功能的更全面理解和控制。然而，在使用这些技术时必须遵循适当的伦理判断，确保不侵犯个人隐私或导致无节制的个人增强。未来的挑战在于建立符合适当伦理判断的制度措施，以确保人类增强技术的应用能够真正造福社会和个人。
参考文献：
https://mnsl-journal.springeropen.com/articles/10.1186/s40486-024-00205-1（全文完）
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