馬斯克、陳天橋都押注的腦機接口，未來何時來？
圖片來源@視覺中國
文 | 光錐智能，作者｜陳思
失語者重新“開口說話”，失聰者再次聽到聲音，四肢癱瘓者可以自由活動...這不是什么“上帝的神跡”，而是正在不斷進步發展的腦機接口技術。
近日，馬斯克創立的腦機接口公司 Neuralink 完成 C 輪融資，籌集資金 2.05 億美元（約合13億元人民幣），被認為是該領域迄今為止規模最大的融資。
“科技狂人”的布局，似乎每次都踩在時代的前面，從移動支付Paypal、新能源汽車特斯拉、航天公司SpaceX，而這次是腦機接口。
眾多人的目光再次投向這個看似前沿、甚至有些科幻的領域，實際上，這里的商業世界早已開啟。
PitchBook 的數據顯示，2021 年迄今腦機接口領域的總融資額已經是去年全年 9700 萬美元的三倍。如果從腦機接口可影響到的應用領域來看，不論是醫療、教育還是消費，都將帶來遠超于十幾億美金的巨額市場空間。市場研究機構Valuates Reports預計，全球腦機接口市場規模2027年有望達到38.5億美元。
讓失語者重新“開口說話”，失聰者再次聽到聲音，四肢癱瘓者可以自由活動...腦機接口技術真的有這么神奇嗎？
讓失語者用腦電波說話，不再是科幻
在科幻電影《黑客帝國》中，這臺可以進入虛擬世界的設備可是給觀眾留下了非常深刻的印象，通過大腦與設備進行連接，它就可以讓人在現實與虛擬中穿梭。
（《黑客帝國》中的腦機接口 | 來源：電影截圖）
可別以為這種“黑科技”只存在于電影里，在真實生活中類似的科技已經存在，只不過目前它還不能實現電影里那么強大的功能。
《新英格蘭醫學雜志》（New England Journal of Medicine，NEJM）最近刊文稱，一位中風男子成功利用神經義肢與腦機結合的方式，成功將腦電波轉化為完整句子。
大約15年前，當時只有20多歲的患者因為大動脈破裂而中風，更為不幸的是，這條大動脈恰巧為大腦供血。自此之后，這名男子無法控制四肢，也喪失了語言功能，因為他無法控制任何與說話有關的肌肉。
不過好在他的頭部還是可以活動的，在電子設備的幫助下，該男子通過頭部動作控制鍵盤，每分鐘可以拼出5個單詞。
（風患者在電子設備幫助下打字 |來源：實驗團隊官方視頻截圖）
現在，研究人員為他進行了更高級的設備升級：通過將電極植入這名中風者大腦，用以接收信息，然后將接收到的信息翻譯成單詞，在屏幕上顯示，讓失語的中風患者重新開口“講話”。也就是說，這名男子不再需要移動頭部，只需要想一想自己要表達的內容，計算機就能將腦波變成單詞句子。
這種技術正式名為“腦機接口”（brain-computer interface，BCI），簡言之，BCI就是利用設備將腦電波翻譯為“意圖”或者可以執行的輸出結果。
（非侵入式（左）與侵入式腦機接口示意圖）
BCI設備可以分為兩種，一種是非侵入式的，用戶只需要戴在頭上就行；另一種是侵入式，需要通過手術植入電極，用于輔助捕捉腦波信號。
第一臺腦機接口設備誕生于1973年，制作者是加州大學洛杉磯分校的比達爾教授。當時，研究人員通過意念操縱屏幕上的光標走完了一個迷宮，雖然只是一個看似簡單的操作，但想想看，這可是1970年代，相信這樣的演示即便放到今天也足夠科幻與震撼。?
不同于今天相對更主流的侵入式腦機接口，當年的實驗采用的是基于腦電波的非侵入式腦機接口。可誰都沒想到，這樣一個簡單的實驗，卻正式開啟了腦機接口技術時代的到來。
從上世紀七八十年代在動物身上的實驗，到九十年代中后期的人體實驗，再到今天更為深入與廣泛的研究，腦機接口設備從只能夠識別并提取微弱腦信號的簡單功能，發展到可以讓實驗者直接驅動機械手臂完成幫助操作的“黑科技”；如今，腦機接口甚至可以讓失語者重新“講話”。
那么，這樣的功能是如何實現的呢？前文中那個利用腦機接口，讓失語者重新“講話”的實驗團隊在官方視頻里，用一張示意圖進行了介紹：
首先，通過將電極陣列放在接受腦部手術的病人頭顱內——此處需要注意，該實驗的前提是，病人大腦中語言功能的部分要能夠正常工作。
之后，借助一套專門設計的循環神經網絡（RNN），將記錄到的皮質神經信號轉化為聲道咬合關節運動，然后將這些解碼的運動轉化為口語句子。或許有些不好理解，你可以自己這樣嘗試：先在腦海里想一句話，然后不張嘴，想象說出這句話的時候需要用什么樣的口型、舌頭會怎么運動——這樣的想象產生的腦波信號會被電極記錄，并通過AI建立模型，而這個模型在之前已經多次訓練，學習了人在講話調動面部肌肉時，腦部會產生什么樣的信號。
最后，再經過一套模型的合成，病人想要表達的文字就出現在了屏幕上。
（實驗結果演示 | 來源：實驗團隊官方視頻截圖）
相比過去一個字母一個字母去拼寫，這種新方式等于直接預測了病人想要說出的每個單詞，速度更快并且也不需要借助鍵盤，實驗團隊的研究員Edward Chang表示：該系統每分鐘最多解碼18個單詞，準確率中位數為75%，有時甚至會超過90%。
不難看出，腦機接口的實用性在不斷加強，這一方面有助于醫療救助，幫助中風、漸凍癥、甚至意外事故的傷害；另一方面，也證明了腦機接口技術和AI技術的融合在不斷加強。過去，患者只能借助設備拼出字母，但如今可以直接表達單詞甚至句子，從各種意義上來說，這都是一次不小的突破。
既然有了一定的實用性，那么是否也就意味著腦機接口在當下或未來有了一定的業前景？那么，就目前來看，腦機接口是一門好生意嗎？
從人工耳蝸開始，腦機接口向商業化探索
回看歷史，早在1970年代，洛杉磯加州大學腦研究院就開始研究BCI技術。在隨后的幾十年里，研究人員一直用動物做研究，為BCI技術打基礎。直到1990年代中期，研究人員才用人類測試BCI設備。
由于腦機接口技術難度大，多數產品仍處于試驗階段，已取得的成果也大都存在于實驗環境下，因此，在腦機接口的發展歷程中，研發人員們優先考慮的還是它的醫療與學術價值，尤其是醫生們希望能用它能解決腦損傷問題。
比如在中國，已經有醫療團隊將腦機接口技術應用在了臨床上。2020年，浙大二院張建民團隊通過對一位高位截癱志愿者腦內植入 Utah 陣列電極，從而意念控制機械手臂的三維運動完成進食、飲水和握手等一系列上肢重要功能運動。
雖然大部分研究與產品還停留在實驗階段，但目前在腦機接口領域，還是誕生了一項不論是技術或是商業化，都比較成熟的產品：人工耳蝸。
如果要追溯人工耳蝸的歷史，可以最早追溯到18世紀，意大利物理學家Volta在一次實驗中發現了電刺激聽覺系統產生聲音感覺的現象；到了20世紀，一次外科手術中，醫生通過將電線與失聰患者的神經連通，使患者在電刺激下成功聽到了微弱的聲音。
直到1969年，美國醫生William House與Jack Urban協力開發出了第一款可穿戴式的人工耳蝸，不過，這款人工耳蝸僅有一個電極，只能輔助患者讀唇語；二十世紀七十年代，位于澳大利亞墨爾本的學者Graeme Clark教授研以及奧地利維也納大學的Erwin Hochmair教授分別研發出了可在電刺激耳蝸的多個部位的設備；1977年，世界上第一臺多通道人工耳蝸在奧地利維也納進行了植入。
隨著技術的不斷成熟，與社會對于人工耳蝸接受度的提升，這一產品也在發展中成功實現了商業化。
目前，在全球人工耳蝸市場上，有三大人工耳蝸設備制造廠商共占據全球人工耳蝸市場超過90%的份額，分別為澳大利亞的科利耳（55%）、美國的Advanced Bionics（20%）和奧地利的MED-EL（20%）。
其中，總部位于澳大利亞悉尼的科利耳是成立最早（1982年），也是市場份額最大的人工耳蝸設備生產企業。
據了解，科利耳的全球雇員超過3500人，每年投入超過總收入的12%（超過1.6億澳元）的資金用于產品研發。目前，科利耳為全球聽力市場提供了超過55萬種植入式設備，幫助來自100多個國家超過45萬名各年齡段聽障人士重獲聽力。
值得一提的是，科利耳公司的核心產品Nucleus系統，最早采用的正是前文中提到的Graeme Clark教授開發的技術。
憑借技術上的優勢，科利耳率先完成商業化，并且在之后的發展中投資、收購了人工耳蝸產業鏈上的其他公司。比如，科利耳曾收購植入物研發企業Entific Medical Systems、Otologics LLC，又投資了專業生產助聽器的醫療器械公司EarLens；甚至在2017年，科利耳還投資了人工智能公司Otoconsult，后者提供的技術有望使耳蝸植入物更快、更一致地安裝，從而為患者提供最佳的聽力結果。
從科利耳的案例中不難看出，腦機接口若要實現商業化，有這樣幾個要素是必需的：
（1）成熟的核心技術
從技術上來說，人工耳蝸的成功說明了，其他腦機接口產品如果想開拓同樣大的市場，至少要研發出一項或幾項足夠成熟的技術。至于這個“成熟”的標志，或許人工耳蝸的成功案例可以作為參考，即：至少要讓接受植入者達到恢復生活自理能力的水平。
如果以這個標準來衡量，腦機接口目前還有很長的路要走，畢竟目前已經曝光的腦機接口產品，能夠幫助患者實現的還只是一些簡單的操作，比如抓取物體、腦波打字等等，有一定的實用性，但暫時無法大規模使用。
此外，人工耳蝸對于可以接受植入的患者也已經形成了一套篩選標準，對手術可能造成的風險也已經足夠清晰，這一點在其他腦機接口產品中尚不具備。
（2）成熟的產業鏈
人工耳蝸包含了體外與體內兩套設備，體外部分包括麥克風、語音處理器、信號發射器；體內部分包括信號接收及解碼模塊、刺激電極陣列。在這些設備中，植入材料、電極材料、技術組合等都需要相應的公司來參與生產，發展至今產業鏈條已相對成熟。
而其他腦機接口產品目前多處在實驗階段，參與研發與設備生產的產業鏈尚不清晰，且由于技術限制無法對設備進行大規模生產，想要商業化似乎暫時無法實現。
（3）成熟的社會接受度
人工耳蝸從正式誕生到被社會大眾接受，至少經過了二十年的時間，期間還發生過有一定規模的抗議活動。腦機接口如果想得到發展，倫理這一關似乎也是不得不過的，好在有耳機接口的先例作為鋪墊，后續其他腦機產品在大眾當中的信任度，或許可以更高些。
不過，正因為目前腦機接口市場沒有太高的成熟度，也就吸引了一批科研機構以外的企業參與其中開拓市場，在資本的簇擁下，或許用不了多久，腦機接口技術也能從學術走向消費市場。
企業紛紛入局，腦機接口的未來何時來？
除了前文提到的Neuralink，Facebook旗下Reality Labs實驗室也曾做過類似研究。該實驗室的基本設想就是開發一款頭戴式設備，讓設備讀取“意識”，將意識變成文字，每分鐘可以轉化100個單詞。
有觀點認為，Facebook不使用侵入式設備，可能是想將BCI設備與AR/VR結合在一起使用。
7月30日，Facebook一直資助的加州大學舊金山分校（UCSF）的腦機接口技術研究團隊，首次證明可以從大腦活動中提取人類說出某個詞匯的深層含義，并將提取內容迅速轉換成文本。
值得關注的是，就在Facebook實現幾乎實時的言語意念文本鍵入的同時，它也宣布將放棄頭戴式腦機接口研究，專注基于手腕的可穿戴設備，并表示這款設備“將在短期內進入市場”。這再度引發了業界對腦機接口能否實現商業化的熱議。
另一家美國BrainGate也在腦機接口領域嶄露頭角。該公司聲稱，當用戶想像自己拿著筆和紙正在書寫時，BrainGate設備就會讀取其“意識”，進而將意識轉化為文字。BrainGate聲稱自己的設備在轉化速度上是其它BCI設備的兩倍，并且明年就會讓設備正式上市。
在中國，阿里巴巴、騰訊、科大訊飛等企業也在布局腦機接口。
2020年8月，阿里在淘寶造物節上公布了一項專利，名叫“淘寶意念購”，正式進軍腦機接口領域。據了解，該項目是淘寶和清華大學孵化的一個專門做腦機接口的公司 NeuraMatrix 合作的，共同目的是探索腦機接口技術的軟件落地。甚至，阿里巴巴還專門開發了用于“意念購”的芯片。
（阿里巴巴“意念購”專利 | 圖片來源：互聯網）
不同于大部分腦機接口公司將發展目標定位在醫療方向，淘寶“意念購”專注于線上購物場景，采用的也是非入侵式方案。
2019年2月25日，科大訊飛發布公告稱，其全資子公司訊飛云創與科大訊飛副總裁胡郁、華南理工大學教授李遠清、廣州華南理工大學資產經營有限公司共同投資設立了一家腦機接口公司。該合資公司名稱暫定為廣州華南腦控智能科技有限公司，注冊資本4176.87萬元人民幣。
雖然尚不清楚這項“黑科技”何時才能正式問世，但是阿里與科大訊飛等企業的布局也足以說明了，中國企業也希望在腦機技術行業的初級階段，占有一席之地的想法。
與此同時，一些正在孵化階段的初創公司也正在慢慢走上舞臺，大有成長為明星公司之勢。
前文提到的清華系的NeuraMatrix公司，已獲得數百萬美元Pre-A輪融資；而由紅杉中國領投，清華系博睿康科技公司已經在2021年3月完成B輪過億元融資。雖然這些新秀們目前尚無重大成果發布，但是仍然是值得重點關注的對象。
不過，即便有相當規模的群體認為：腦機接口技術將會引爆下一輪科技革命，但到目前為止，我們還只是在醫學領域看到了這項技術的光明前景。研究人員發現，治療多動癥、阿爾茨海默病、癲癇時，腦機接口技術可以找到用武之地，甚至還可以用于緩解抑郁、焦慮和恐懼。
另有一些人認為，在醫療場景之外，如果能用意識控制硬件、軟件，控制的速度會比手指高很多，這樣就能大幅提升生產力。他們覺得，如果BCI大規模應用，用戶就能通過意識在互聯網交流，拋棄智能手機屏幕、鍵盤；一旦BCI真的普及，改變的可不只是手機——殘疾人可以用大腦控制輪椅、工作人員可以用大腦控制機器人手臂、駕駛員可以用大腦控制直升飛機、腦波可以成為密碼，這對于世界的改變將會是顛覆性的。
未來似乎很美好，只是不知道離我們有多遠，或許在學術界與商業界的共同努力下，這樣的未來能更快到來。（本文首發鈦媒體APP）
參考資料：
- https://vcbeat.top/40659
- http://med.china.com.cn/content/pid/254499/tid/1026
- https://www.sciencealert.com/scientists-have-converted-a-paralyzed-man-s-brain-waves-to-speech
- https://www.the-scientist.com/news-opinion/brain-computer-interface-user-types-90-characters-per-minute-with-mind-68762
- https://www.mobihealthnews.com/news/facebook-backed-study-gives-individual-severe-speech-loss-restored-communication-abilities
- https://spectrum.ieee.org/tech-talk/biomedical/bionics/exclusive-neuralinks-goal-of-bestinworld-bmi
- https://www.wraltechwire.com/2020/11/11/brain-computer-interface-technology-debate-cant-wait-say-ncsu-researchers/
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