【科学强国】类脑智能：开拓智能新境界

　　近年来，随着大脑成像、脑机交互、生物传感、大数据处理等新技术不断涌现，脑科学与计算技术、人工智能、纳米材料、认知心理等学科的交叉融合，正酝酿着重大理论与技术突破，脑科学与类脑研究成为全球科技竞争的焦点。

摄影/宁颖

　　相比传统意义上的人工智能，类脑智能采用神经形态计算，通过模仿人类大脑的运作方式，让计算机软硬件实现信息高效处理，同时具有低功耗、高算力的特点。

　　我国也正在加快类脑智能战略发展。2017年，我国提出2030年类脑智能领域取得重大突破的发展目标。2021年，科技部发布了“脑科学与类脑研究”重大项目相关申报指南，部署了近60个研究方向，立足于探索大脑奥秘和攻克大脑疾病的脑科学研究以及建立发展人工智能技术的类脑研究，被各界形容为“中国脑计划”。近年来，国家还成立了类脑智能技术及应用国家工程实验室等机构。值得一提的是，日前，“问天I”类脑计算机技术成果在江苏南京发布，该计算机模拟大脑神经网络运行，是国内目前技术领先、规模最大的类脑计算机。

　　科技飞速发展，我们真的能造出一个逼近生物大脑神经系统、性能远超生物大脑的超级电子大脑吗？当前类脑智能技术发展到了什么阶段？能否实现产业化？产业化难点何在？类脑智能距离我们的生活还有多远？

　　“脑机接口”走进生活

　　对于“脑机接口”，许多科幻爱好者一定不会陌生。《阿凡达》中，科研人员利用“脑机接口”将分析解读后的人类大脑信息传导给克隆人，使得克隆人同时拥有了强壮的体魄与缜密的思维；《黑客帝国》里，主人公通过脖颈上植入的电极，即时将武术技能下载到大脑中，完成了从格斗小白到“武林高手”的转变；《万神殿》中的“脑机接口”则更为“玄幻”，通过接口，人类可将意识上载到互联网网络系统中，成为“互联网幽灵”般的存在，获得“永生”。

　　简单来说，“脑机接口”可以将大脑中的神经元信号转换为能够在现实世界中移动物体的具有实际意义的指令，在医疗、军事、神经娱乐、认知训练、神经生物经济学等方面都有所应用。如今，“脑机接口”不再遥不可及，而是已经揭开了一角神秘的面纱，在生活中起着独特、不可替代的作用。

　　2023年10月，在杭州亚残运会的开幕式上，游泳运动员徐佳玲通过大脑控制安装在她左臂的智能仿生手点燃了主火炬塔。同样是这款智能仿生手，佩戴者甚至能操纵仿生手用毛笔写下“自强不息”四个字。通过构建仿生神经肌肉通路，佩戴者能精准控制每根手指，重建手部运动功能。据悉，传统仿生关节在穿戴使用的时候，佩戴人需要时刻去关注它，控制也达不到如此精细。而采用“脑机接口”技术的仿生关节，能够通过实时采集脑电波，用某种装置进行分析解码后转换为控制信号，进而实现对事物的控制。此外，利用“脑机接口”技术实现视觉的“人工眼球”，可以帮助盲人“看到”更复杂的信息，实现他们看清世界的梦想指日可待。“人工耳蜗”则是最早开发并成功应用的“脑机接口”技术之一，可以为患有严重感音神经性耳聋且传统助听器无效的人提供人工听觉。

　　“脑机接口”技术还被应用在航天领域。航天员直接用思想输出操作指令，既省去了移动手臂完成操作所花费的大量时间，又减少了体力消耗和精神消耗。只需“趟”在空中，航天员就可以完成一系列运动意图的指令输出，从而控制飞船。早在2016年，我国天宫二号和神舟十一号载人航天飞船中就采用了“脑机接口”技术。飞行过程中，两位航天员完成了人类历史上首次太空脑机交互。这次测试为我国载人航天工程的新一代医学保障提供了关键科学依据。

　　截至目前，北京、上海的一些高校和科研机构在类脑智能与“脑机接口”方面已经取得了一些成果。2019年8月，清华大学施路平团队开发出全球首款异构融合类脑计算芯片，该芯片结合了类脑计算和基于计算机科学的机器学习技术，有望促进人工通用智能的研究和发展；2020年1月，清华大学钱鹤、吴华强团队与合作者研发出全球首款多阵列忆阻器存算一体芯片。

　　产业界也不甘落后。百度、科大讯飞、阿里巴巴、华为等企业都在近几年提出了一些与类脑智能应用相关的概念，随着类脑科学研究取得进展，“电子脑”正在从文字概念转向现实应用。以已经正式开展应用的“问天I”类脑计算机为例，其具备5亿神经元、2500亿突触智能规模，神经元数、突触规模位居全球第二，较现有计算系统能效提升10倍以上。

　　神经形态器件是关键

　　“为什么脑科学这么吸引人，就是因为它有很多未知的领域还需要大家去探索。”中国科学院院士、中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心学术主任蒲慕明曾指出，脑科学中最关键的研究问题是功能相关的神经环路结构和功能是怎么产生的。人脑由几百种不同的神经细胞所组成，这些神经细胞通过突触的连接，形成非常复杂的神经网络。这个网络之中又含有特殊的环路和通路，当进行某一种特殊功能的时候，这些通路就会被激活。所以我们不但要知道整个神经网络的结构是怎么回事，还要知道环路、通路进行特殊功能的工作原理，这是脑科学目前要努力的方向。而直至今日，我们却对复杂的神经网络和信号传递机制知之甚少。

　　在业界，类脑智能的实现路径大致可以分为软类脑和硬类脑两类。前者侧重让算法和模型能够模拟大脑的工作模式；后者则在硬件材料方面寻求突破，通过开发神经形态的芯片和其他介质，以生物电子学、神经形态工程等学科为基础，模拟生物神经元乃至整个大脑，是类脑技术破局的关键。“人脑在有限尺寸和极低能耗下，能够完成复杂环境中的信息关联记忆、快速识别和自主学习等认知任务。随着芯片换代速度放缓、算力供不应求等挑战出现，面向未来，现有计算机的计算方式已难以为继。要想实现类脑计算，就需要寻找更多模拟人脑功能的神经形态器件。” 清华大学精密仪器系、清华大学类脑计算研究中心长聘副教授李黄龙认为。

　　产业市场同样偏爱神经形态器件。据神经技术设备行业市场估计，2021年神经技术设备市场超过109亿美元，其中神经刺激市场占69%，神经假体市场超过21亿美元，睡眠障碍市场达7.64亿美元，癫痫市场超过4.45亿美元。2022—2030年将以年均14.5%的速度增长，2030年市场规模将超过355亿美元。未来，神经疾病患病率和各国对脑科学、神经设备的资助等将是驱动该市场快速发展的主要因素。

　　此外，2021年全球脑机接口（包括侵入式和非侵入式脑机接口）市场规模达15.05亿美元，2030年将达到53.40亿美元，复合年均增长率高达15.11%。目前脑机接口产品主要用于恢复或替代因肌萎缩性侧索硬化症、中风、脑瘫或脊髓损伤等神经肌肉疾病患者的功能。脑机接口市场面临的机会则包括：虚拟现实的带动、智能家庭控制系统中的应用、政府和研究机构的持续投入、人口老龄化和患者的需求等。

　　神经技术设备与“脑机接口”产业的快速发展也带动着类脑智能转型。人脑是自然界中最完美的信息处理系统，而类脑计算则借鉴人脑处理信息的方式，以更少的器件、更低的功耗和更高的能效比颠覆传统计算范式，引领人工智能的新变革。当前，尽管类脑计算行业还处在突围阶段，但市场前景已经愈发明朗。数据显示，2035年类脑计算市场将占据人工智能市场总收入的15%~20%，市场规模约200亿美元。业内人士认为，短期来看，类脑器件、芯片还扎根于智能市场，发挥自身低功耗、高能效的优势，开发并创造更多的应用场景；长期来看，想要迎来商业价值的释放，不但要在产业端进一步控制类脑芯片、设备的制造成本，还需要从科研端入手，从系统结构上发展类脑计算的完备性，向通用计算领域优化拓展。

　　“类脑智能”落地仍面临挑战

　　不过，“类脑智能”要想落地，在技术水平、数据治理、伦理安全监管方面还面临着诸多挑战。

　　一方面，相关研究仍处于起步阶段，研究范围有待扩大。类脑智能的研究涉及神经科学、信息科学、材料科学和机械学等多学科知识，需要整合多种前沿科学成果并进行深度融合。与此同时，当前，人类大脑的开发还不足5%，神经元连接多样且富有变化，很难精确建模。

　　另一方面，随着各国脑计划持续实施，全球脑科学领域已经产生了海量的脑图谱、脑监测数据，如何高效、安全地利用这些数据成为该领域面临的重要挑战，由此产生对数据治理的需求。

　　此外，当计算机跨越人类与技术的界限，道德伦理问题随之而来。例如，“类脑器官”能否感知外部环境，能否产生意识、实现思考，以及细胞捐赠者具有哪些权利，等等。

　　目前，国际脑行动计划已发文呼吁加强脑科学的数据治理，并提出建议。首先是制定国际数据治理原则；其次要开发数据治理相关的实用工具和指南；最后需要加强数据治理教育，提高认识。并强调，未来，各国脑科学领域要进一步重视数据治理，并制定出全球统一、协调的数据治理原则和框架。

　　英国议会《脑机接口》报告指出，脑机接口领域面临的伦理挑战包括安全性、隐私保护、获取脑机接口产品的公平性、风险与收益评估、脑机接口参与的相关行为的权责问题等。未来，以脑机接口为代表的类脑智能产品的广泛应用，将带来更多的伦理安全问题。目前，各国已经采取了初步行动，包括开展神经伦理学研究，并加强相关概念的宣传。我国也于2022年发布了《关于加强科技伦理治理的意见》。可以预见，类脑智能伦理安全监管有望更加规范化，实现全球共识。

　　正如不少业内人士所言，时至今日，尽管类脑智能已经取得一些进展，但大脑作为人类智慧的集结，是已知的宇宙当中最复杂的产物，对大脑的研究也被称作是自然科学的“终极疆域”。类脑智能作为模仿神经生理学和生理心理学机制、以计算建模为手段并通过软硬件协同实现的机器智能计算，距离实现人类打造像人脑一样的“机器脑”这样的梦想，还有充满挑战的路要走。

　　来源：《小康》·中国小康网

　　作者：袁凯

　　编辑：赵狄娜

　　审核：龚紫陌