半机械人,就在你身边

本文改编自《万物》杂志7月刊



来源 | 万物

撰文 | Mirror


许多人对半机械人的印象往往还停留在攻壳机动队、机械战警这一类科幻作品中,但其实他们距离我们并不遥远。


“半机械生物(cyborg)”一词早在20世纪60年代就被提出,源于探索太空的半机械人设想,后被引申为任何在有机体中整合了无机部件的生物。从宽泛意义上来说,佩戴人工耳蜗、植入心率调整器的人体都属于半机械人,甚至有人认为强烈依赖手机、电脑等电子器件相互通讯的我们早已经 “半机械化”。



那么,人类的半机械化究竟已经发展到什么程度?未来又会走向何方?就请跟着小编一起走进现实中的半机械人世界。


图片来源 《攻壳机动队》



重获运动机能


尽管经典科幻作品中的半机械人都是超人般的存在,人类最开始连接机械部件只是为了替代缺失或损坏的组织。其中,最常见的就是义肢。


1977年,德国一家公司研发出了C-leg机械腿,通过计算机控制膝盖就能模拟正常行走。它也成为了世界上第一个完全使用微型处理器控制的义肢。基于相似的原理,该公司还研发出了一种机械手(Michelangelo Hand)。但机械义肢的灵活性仍远不如健全的四肢。


C-leg机械腿


就在去年,一位来自麻省理工的教授,Hugh在TED演讲上分享了他们在义肢领域的突破性进展(视频请查看文末链接)。这位教授在经历一次事故后双腿膝盖以下被截肢,替换上了机械腿。这双腿能够跳跃甚至是跑步,可以说是相当灵活,但他却无法感知到这双腿的存在。


每当他想移动腿时,中枢神经系统会发出信号传递至残肢上的肌肉细胞,然后由微型计算机对信号经脉冲)进行解码,转变成控制机械腿的指令。然而信号只能从大脑输出至机械腿,机械腿的状态却无法反馈给大脑。


Hugh教授的TED演讲 | 图片来源 TED 2018



为了解决这个问题,教授的团队研发出了AMI(agonist-antagonist myoneural interface)技术。当腿部肌肉弯曲或舒张时,肌腱和肌肉内的生物传感器会通过神经向大脑发送有关腿部动作、速度等信息,从而使安装义肢者能够感知机械腿的状态,形成双向连接。教授的朋友在使用该技术连接义肢后,甚至觉得自己的腿已经回来了。即使没看到脚底粘上了东西,也能通过义肢的反馈发觉,从而将其甩掉。


这位教授还进一步设想——利用这项技术,人类或许有一天也能像鸟儿一样自如地控制机械翅膀,翱翔天际。




世界首届半机械人运动会Cybathlon)于2016年在苏黎世举办,参与者多数为义肢的使用者,比赛项目目前只是爬楼梯一类的简单运动。下一届将会在2020年举行。


2016年半机械人运动会 | 图片来源 《万物》杂志



但连接义肢这一类外骨骼在一些人看来还并不是最典型的半机械人,在他们看来,让机械部件连接大脑才是真正意义上的半机械人。


1997年,菲利普·肯尼迪博士就将电极植入一个中风瘫痪的越战士兵大脑附近,帮助其恢复了一些运动机能。这位士兵也被认为是人类历史上第一个真正意义上的半机械人

图片来源 《万物》杂志



视觉辅助


除了能让肢体残缺者或瘫痪者在一定程度上恢复运动机能,机械部件还有望令盲人重获光明。



科学家威廉·杜伯里(William Dobelle)是用电子芯片进行视觉辅助的先驱。1978年,他在一名后天双目失明的盲人大脑视皮层上植入芯片,与外部的摄像机连接,这样摄像机接收到外界信号后就会传递给芯片,使其能够感受到光亮。然而受当时计算机技术的限制,这样的装置还需要连接近两吨重的主机,而且只能在有限视野中看到灰色阴影的成像。


2002年,杜伯里又为16个病人植入了更加轻便、灵敏的第二代人造眼,这也是脑机接口技术(BCI,brain-computer interface)的第一次商业化。遗憾的是,目前该技术还无法令盲人看到正常人视野中的生动景象,并且适用范围仅限于非先天性失明者


2017年的“人造眼”装置示意图 | 图片来源 《万物》杂志


尽管电子眼还无法为盲人呈现一个清晰的世界,另一些人已经为自己安上了“第三只眼”。


一位名为罗伯·斯彭斯(Rob Spence)的电影制作人自幼双目失明,后来他选择在眼部植入微型摄像机以记录下他所“看到”的一切。这些画面可以被输出至电脑,呈现为仅1.5平方毫米的低分辨率影像。


另一位艺术家,Wafaa Bilal则是在后脑勺中植入了摄像机。自2010年起,这个相机就开始为他每分钟拍摄一张身后的照片,并上传到网上。而他这么做的目的是为了展现那些可能被我们遗忘在身后的风景。


Wafaa Bilal 在后脑勺中植入相机



获取“超能力”



2004年,一位英国艺术家Neil Harbisson为了突破人类可见光的限制,在头部植入了连接头骨的天线,使其能够通过头骨的震动“听见”普通人眼无法识别的光波,例如紫外线。据本人描述,天线已经和他的身体融为一体。后来,他还参与创立了半机械人基金会(Cyborg Foundation)和跨物种协会(Transpecies Society),致力于帮助半机械人群体。


头部连接天线的Neil Harbisson | 图片来源 Wikipedia 


为了探索强化大脑的可能性, 2002年,一位参与半机械人研究项目(Project Cyborg)的科学家(Kevin Warwick)则以自己为实验对象,在神经系统中植入了由一百个电极构成的芯片。他的妻子也加入了他的这一实验,在神经系统中植入电极。据称,这对夫妻完成了人类历史上第一次脑对脑交流。可以说是真正的“灵魂伴侣”(soul mate)。


为了拓展技能而在健全的身体上植入人造部件的并不只有“疯狂”的艺术家和科学家,还有一些想要摆脱身外之物而将其内置的追求便利者。例如在手臂皮层下植入多功能芯片。刷卡、开关门、操控电器、付款等,举手之间就可以完成。


手臂内植入传感器连接手机


斯坦福大学的研究者们还开发出了一种叫做“Bodynet”的人机交互系统,这是一种用可伸缩半导体制成的部件,其中包括智能设备、屏幕和传感网络,可以植入皮肤也可以像衣服一样穿着,未来或许可以替代手机,或者说,让手机真正成为你身体的一部分。


“半机械化”也可以仅仅是出于某种爱好。例如在手指尖植入磁性物质以拥有吸引铁质物件的“超能力”,这样妈妈就再也不用担心我的金属勺会掉到地上了。


指尖植入磁性物质



操控行为



以上这些现实中的半机械人与科幻作品中突破身体限制而无所不能的半机械人战士可能相去甚远,但美军的确在研发一种可植入士兵大脑的芯片,以期像游戏中那样直接向大脑传输战场地图、敌人方位等信息。



在人体上实现之前,研究者已经改造出了一些半机械动物“侦察兵”。例如,运用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)系统可以控制脑部植入电极和传感器的甲虫,派遣它们侦测环境中可能存在的危险因素,再通过传感器反馈信息。


植入传感器的半机械甲虫 | 图片来源 《万物》杂志


实际上,基于相似的原理,人类已经成功控制了小强的某些行为,并且还将控制设备商业化了。不过商业化的目的并不是为了控制小强跳进陷阱,而是用做神经科学的教具。


这种装备叫做“RoboRoach”,在2013年的一个TED演讲中,研究者现场展示了如何在小强身上安装这一机械部件,然后通过手机软件控制其行进方向。也就是你让它向左它就向左,让它向右它就往右,听话得一点也不像平常那个你怎么也打不到的小强。(RoboRoach演示视频请在文末查看


安装了RoboRoach装置的蟑螂



其原理是通过手机向小强背部装置发送信号,收到信号的装置会产生微电流刺激蟑螂触角中相应的神经细胞,再传导电脉冲到神经中枢,完成人类下达的指令。停止下达命令后,蟑螂又会按照自己的自由意志行动。


蟑螂触角上的神经细胞



上海交通大学的研究者们基于RoboRoach设备,成功通过人脑意念控制小强。这就需要计算机解码人脑产生的向左向右的指令,再转化为蟑螂的神经系统能够“理解“的电信号。


不仅是蟑螂,人类还能操控大鼠的某些行为。研究者在大鼠的特定脑区(控制躯体感觉和奖赏的区域)植入电极,背部安装了微型摄像机用于侦测周围环境。寻找目标的视频信号被解码后发送到了大鼠的背部装置,电极产生微电流刺激其所在的脑区,将寻找该图像的行为与奖赏相联系,诱导大鼠找到研究者的指定图像


脑部植入芯片的大鼠 | 图片来源 Wu, Z. et al. (2016)


在与人类更接近的动物——猕猴身上,研究者也实现了对一些简单行为的解码,例如抓、勾、持、捏,这四个动作。猴脑进行这些动作的神经信号被计算机解码后,成功在机械手上再现了这些动作。就在今年刚发表的一项研究中,研究者还通过猴脑外接装置成功地诱导了猕猴的决策行为


脑部植入芯片的猕猴 | 图片来源 Wu, Z. et al. (2016)


同为灵长类,猴脑与人脑有许多共通之处,人脑的某些神经信号同样也可以被破译。研究者已经基于对人类一些动作下皮层脑电图ECoG,electrocorticogram的解码,控制机械手玩起了石头剪刀布


手势对应的脑电图(上)被操控的机械手(下)

图片来源 Wu, Z. et al. (2016)


如果能够进一步通过机器学习技术解码不同行为下脑电图的分布模式,或许就能用意念操控机械体完成更复杂的动作,而这对于仅有大脑活动的瘫痪者来说将意味着重获新生。



脑机接口新进展


最近在马斯克的发布会上,脑机接口技术(BCI)的新进展引发了热议。为人脑插入极细电极和传感器的“缝纫机”装置让人联想到科幻作品中半机械人脑后插管的画面。这项技术的发明是为了在最小程度侵入人体的同时,能够读取和写入神经元,并期望实现瘫痪病人对电脑等电子产品的使用


脑中植入电极与传感器示意图


在电影中,半机械人通过脑后接口就可以将大脑联网,快速获取各类信息。人员之间的交流也可以直接在脑中远程且高效地进行。


然而,这种侵入式的装置也引发了不少担忧——外界的电信号真的不会干扰大脑吗?如果大脑联网遭遇黑客攻击怎么办?另外,还有种种关于人类与机械界限的伦理问题。



图片来源 《攻壳机动队》


不过目前,人类的半机械化还远未达到令人十分惊艳或担忧的程度。纵观科技发展的历史进程,新技术的应用永远是把双刃剑,但这或许也是人类想要揭开认知之谜、了解自身的必经之路。


图片来源 《攻壳机动队》


“如果生命的本质是通过DNA传播信息的话,社会和文化也不过是个庞大的记忆系统,城市只是一个巨大的外部记忆装置。”——《攻壳机动队 无罪》




拓展资料:


MIT教授Hugh的TED演讲:

https://www.ted.com/talks/hugh_herr_how_we_ll_become_cyborgs_and_extend_human_potential


使用RoboRoach装置操控蟑螂的演示视频:



视频来源:backyardbrains.com






本文转载自“把科学带回家(ID:steamforkids)


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