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马斯克的新“脑机接口”为何是一次大突破?

昨天看完马斯克的发布,回忆起了一堆赛博朋克电影,做了一晚上的梦。

北京时间昨天下午,马斯克再次交出了一份基于自己理想的答卷,而这次的项目换成了科幻感满满的脑机接口。

这份答卷主要归功于马斯克所拥有的Neuralink公司,这家公司的宗旨十分简洁——“开发连接人类和计算机的超高带宽脑机接口(Developing ultra high bandwidth brain-machine interfaces to connect humans and computers)”。

关于发布会现场的一些具体报道,网络上已经有不少了,在此不再赘述。本文旨在对Neuralink的新成果进行更深入的分析,以及告诉你为何这是一次脑机接口的大突破。

先来划重点

  不卖关子,我们先来看它能成为大突破的几个关键理由:

  • 第一,Neuralink目前已经成功将脑机接口的电极数目增加了30倍,空间维度的变化也有实际意义;

  • 第二,Neuralink并没有只瞄准科学实验场景,其解决方案具有大规模化潜力;

  • 第三,也是最关键的一点,Neuralink目前的这套解决方案是“可演进”的。

  接下来,我们再来逐一深入分析。

接口性能上的飞跃

  脑机接口的最终目的是要将以细胞为基础单位的大脑,和以晶体管为基础单位的电脑连接起来,所以两者之间必然需要一个关键的接口。扮演这个角色的就是“微电极阵列(MEAs)”,这些微电极能够感应神经细胞之间的神经电信号,充当连接神经元和电子电路的神经接口。Neuralink本次在这一关键环节上也有创新。

  传统来说,“微电极阵列”分体内体外(根据电极位置划分;体外主要针对组织研究,而不是活体),而体内微电极阵列则主要有“微导线”、“硅阵列”、“柔性阵列”三种。

  而Neuralink最终选择的方案其实是“硅阵列”+“柔性阵列”的组合:外观与电极排列方式上和“硅阵列”中的“密歇根阵列”相似,都是沿着一条直线,间隔一定距离分布;材料采用柔性阵列的聚酰亚胺和铂,制作方法更是直接采用了芯片制造中的光刻技术。

  最终的结果是,Neuralink的“微电极阵列”在自身直径大约30-40微米,实现单根阵列布置64个电极。因为头发直径一般是80微米左右,你最终看到的Neuralink微电极阵列就像一根根“头发丝”。

  这也是为什么在现场的演示中,你会看到这些电极植入之后的效果就像“种头发”一样。

  但你千万不要因为“头发丝”不起眼就看不起它,虽然它比起传统的微电极阵列小许多,但是因为电极线性排布、且数量很多,反倒能够构建起一个密集的立体电极网络。这一点完全可以超越传统的二维微电极网络,也必将帮助科学家采集到更多有用的神经电信号。

  最后是微电极阵列整体尺寸的缩小和集成度提升,无疑会直接给脑机接口的部署带来好处,最关键的是减少对于脑部的伤害,让电极装置的寿命尽可能长。这一点对于未来极有可能真的植入人脑的装置来说,显然是非常关键的。

机器人图的不是酷炫

  “缝衣机器人(sewing machine)”也是Neuralink发布会的一大亮点,一针一针植入微电极的动作的确很像在缝衣服

  那么上面的微电极“头发丝”是怎么被送入大脑的呢?这就不能不提微电极的另外一个“微结构”:顶端的拉环。负责刺入大脑的针尖先会穿进这个环,然后通过这个环拽着整根“头发丝”一起进入大脑,到达指定深度之后,针就会往回抽,然后把“头发丝”留在大脑之中。一根“头发丝”只需要一次穿刺,伤口自然就最小。

  而整台“缝衣机器人”本质上更接近于一台配备了很多影像捕捉设备的高精度机床。在它之上,会一气呵成完成数个步骤。包括在植入之前要用激光切出硬脑膜,提供植入切口。

  机器人的高精度对于微电极的植入也非常重要,一来微电极本身是非常纤细,受力过大可能会断掉,通过机器植入基本不会发生这种问题。二来未来如果人们对于大脑的了解进一步加深,那么脑机接口的部署位置也将会逐步明确下来,高精度的放置能力其实能够在一定程度上确保脑机接口的作用效果。

  根据发布会上公布的信息,这个机器人10秒钟就能够完成一根“头发丝”的植入动作,这个速度也相当关键,因为开颅、头部植入这样的手术本身就自带比较大的风险,手术速度越快其实意味着风险越低。

半导体技术是脑机接口的命门?

虽然是微米(um),但想要制造出这么复杂的微电极阵列技术含量还是很高的虽然是微米(um),但想要制造出这么复杂的微电极阵列技术含量还是很高的

  在本次Neuralink公布的论文中,有公布详细的“微电极阵列”制造步骤,虽然跟芯片存在很大差别,但是它的确是在晶圆上用光刻技术制造出来的。这也是为什么Neuralink的“微电极阵列”可以做的这么小。

  但以最终“微电极阵列”30-40um的直径来看,显然还不是当下半导体技术的极限,假如相应的材料的性能足以满足、又或者是出现全新的材料,“微电极阵列”完全有可能会变得更小,而这些“微电极阵列”的植入密度也有希望进一步提升。

左边一块一块的黄色方块区域,都是数模转换模块左边一块一块的黄色方块区域,都是数模转换模块

  在脑机接口中,半导体还有另外一个重要角色:芯片需要把大脑中的模拟信号进行转换,变成计算机可以处理的二进制信号。

  数千个信号源的数模转换芯片并不常见,这也是为什么Neuralink最后选择了自研配套芯片。发布会上公布的ASIC芯片显然就是专门设计的,用来将大脑信号转化为数字信号的处理单元,占据了绝大部分芯片面积。

  根据Neuralink公布的信息,单是这样一颗芯片就足以处理1024个脑部微电极的信息,而这样的芯片却只要6.6uW,一节5号电池(1.5V、2000mah)就能用上4个月。

  从最后的结果来看,在微电极阵列和脑信号处理器这两个关键点,半导体技术的角色都相当重要。更新的制程和制造技术不仅能够帮助微电极阵列做的更小,脑信号处理器也能够变得更强、更省电。

持续演进,重中之重

  持续演进,其实也可以看作为“追赶”。

  传统脑机接口之所以发展不起来,一个关键的原因就在于相比人类大脑,传统半导体技术的尺寸单位还存在比较大差距。就例如1991年就已经诞生,沿用至今的“犹他阵列”,2毫米边长的正方形底座上虽然放上了100多个电极,但这个密度相比人脑中的860亿个神经细胞,真的是“小巫见大大大巫”了。

  这就好比你非要拿着原始人的石斧,却非要去造一台超级计算机一样。

  而这次Neuralink公布的微电极阵列虽然两个电极距离相差还是超过100um,但总算是开始比较接近实际的脑细胞大小了(神经细胞大概10-15um)。换言之,至少在“细胞-机器”的这个神经传递过程中,两边终于有希望在同一个尺寸度量下进行“信息交流”了(单向交流为主)。

  这种进展大概率会拓展人类对于大脑的了解,这不仅将会利于脑机接口进一步发展,同时还将推动脑部疾病、人工智能等一系列技术的发展。

  可这还不是终点,因为最神秘的还不是神经细胞,而是神经细胞之间如何传递信息。根据科学研究,单个神经细胞可以有多达10000个突触连接到别的神经细胞。想要充分理解数目如此庞大的突触如何工作,显然这次的Neuralink脑机接口显然还不能完成这个任务。至少再提升2-4个数量级,或许才有希望完成这个终极任务。

  不过工具总归是工具,860亿个脑细胞、860万亿个突触所对应的复杂神经网络,将会消耗人类多少人力物力才能探明?在探明之后又应该如何规范、进行利用?这些都是需要在时间中解决难题,现在来恐惧还太早了点,不妨让“硅谷钢铁侠”再捣腾下吧。

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