脑机接口：硬科技皇冠上的明珠

什么是硬科技

我在美国生活了17年，绝大部分的时间都在从事科学研究。2019年底，我们把硬科技脑机接口公司落地在国内。

我一直庆幸自己做了一个非常正确的回国创业的决定。我们的脑机接口公司发展得非常好，我们的团队集合了来自美国麻省理工学院、杜克大学、西北大学以及国内清华大学和浙江大学的优秀学子，也刚刚完成了数千万元的“天使轮”融资。

脑机接口技术不仅满足了我们对于新技术的巨大好奇心，同时也实实在在地对我们的社会、未来产业发展以及人类的生活，产生了巨大的影响。

为了解释清楚脑机接口的概念，我们先来聊聊什么是硬科技。

我从浙江大学高分子专业毕业后，在美国高分子专业排名第一的阿克隆大学攻读并拿到博士学位。我所在的课题组曾帮助美国航空航天局分析过“挑战者号”航天飞机的失事原因。1986年，“挑战者号”航天飞机载了7名宇航员从地面升空，在上升的过程当中，因一个零部件的橡胶密封圈老化，造成机体发生漏气，最终导致爆炸，7名宇航员为此丧生。白宫成立了调查委员会专门调查这个事情，我的副导师Alan Gent 作为白宫调查委员会的成员之一参与了此事。Alam Gent是橡胶领域国际上最顶尖的教授之一，所以我在读博士的时候也跟随导师从事橡胶撕裂性能方面的力学研究。

博士毕业之后，我在一家世界500强公司从事关于橡胶石墨烯复合纳米材料的研究，同时也成立了一家自己的科技咨询公司，主要从事硬科技方面的咨询。这些硬科技领域包括航空航天、脑机接口、小型医疗器械、新能源汽车、新材料等。那个时候我们也接待了大量来自国内的优秀企业家和投资人。

我们经常去美国“常青藤”院校、麻省理工学院和斯坦福大学的著名实验室，以及相关的专利办公室进行考察和访问。同时，我们也去拉斯维加斯的消费电子展（CES）参观全球先进的硬科技领域成果。在这个过程当中，我自己作为一名硬科技的从业者，对硬科技的理解，也达到了一个新的高度。在交流当中，我有幸认识了来自脑科学各个领域的一些优秀的科学家和工程师，他们分别从事计算神经科学、生物医学工程、神经生物学、AI智能算法等领域的研究工作。与这些优秀的科学家之间的脑力碰撞，最终促使我们在2018年开始创立脑机接口公司，并在2019年落地国内。

更早的时候，对于硬科技的理解来源于2016年我在纽约跟北京大学国家发展研究院的周其仁老师、知名科技咨询家王煜全老师，还有其他几位来自华尔街以及一些名牌大学的科学家之间的脑力风暴。周其仁老师作为一个研究农业经济的学者，当时也跟我们一起谈论硬科技的发展，这一点让我很吃惊，也让我隐约感觉到我国的产业战略方向正在发生着翻天覆地的变化（因为我国的制造业在那个时候被西方世界描述成“劳动密集型低端制造业”的形象），所以从那一天之后，我开始对我们国家的宏观战略发展方向有了更加清晰的认识。我也有意识地把我自己之前所学的材料科学硬科技背景，跟我国的硬科技战略方向进行更多的融合，也就有了后来组建硬科技团队的初衷，让我们所做的事情跟整个大势更加紧密结合。

关于硬科技，就不得不聊到我国古代的四大发明。我们都知道，我国古代的四大发明是活字印刷术、火药、指南针还有造纸术。再来对比一下，2018年国内另外一个关于“新四大发明”的说法——高铁、网购、支付宝、共享单车。各位有没有发现这里面有什么本质区别呢？

古代的四大发明都是硬科技技术，而2018年所谓的“新四大发明”，只有高铁是硬科技创新，其他三个都是模式创新。这说明什么问题呢？下面来看看在过去2000年里，世界上重要国家和地区的GDP在世界总GDP中的占比情况。我国的GDP占比最多的时候，也就是硬科技，或者说我们古代的四大发明诞生的时候。我国的GDP在2003年的占比大概是10%到20%之间，而且处在快速上升的趋势中，所以现在的“新四大发明”已经开始有硬科技的成分。随着中国经济的崛起，硬科技在所有的发明创造里的占比会越来越高，这说明我们现在处在硬科技爆发的前夜，随着我国经济的大爆发，一定会迎来硬科技的大爆发。

从上图也可以看到，美国GDP的占比呈现下降的态势，结合最近几年中美在硬科技方面的激烈竞争，不难理解美国为什么要千方百计地阻挠高新技术在中美之间的交流和沟通。但我认为这个趋势是不可逆转的，虽然美国在硬科技交流方面制造了各种各样的人为干扰因素，但科技本身是没有国界的，而且它会随着时间的推移而达到平衡，我国的硬科技技术也将慢慢崛起。

我再给大家举一个例子，在美国刚刚崛起的18世纪，英国有一个很有名的纺织工业家叫Samuel Slater。他为了能从英国来到美国，并把自己的技术带过来，不得不乔装打扮成农场雇工的形象，偷偷横渡大西洋来到美国。来美国之后，他在罗德岛州的一个镇上雇佣了当地的大量工人，促进美国的工业，特别是美国的纺织工业，从无到有地发展起来。所以他被称为“美国工业革命之父”，但在英国，他则被称为“叛徒”。就算是在文化同根同源的英美之间，都有这么激烈的技术竞争，更何况是在文化完全不同的中美之间，竞争是不可避免的。

模式创新讲究的是商业模式复制的成功，它更依赖于“流量”，更依赖于以太效应的经济模式。而硬科技创新模式更依赖于专业公司的专利技术，需要的是几十年如一日的耕耘。在我国“十四五”规划里，可以清晰地看到硬科技发展战略规划：新一代人工智能、量子信息、集成电路、脑科学与类脑研究、基因与生物技术等。

硬科技是从PC到互联网，再到移动互联网，之后到元宇宙这样一个方向的迭代。相关的基础设施建设，也是从局域网过渡到互联网中心，再到云，接下来我们在元宇宙里会看到各种各样基于区块链、超级数据中心的新基建设施。

不仅是新基建，各个不同网络时代的管道、终端、应用都在不断地迭代变化。

以上的种种原因都促使我想回国投身到这个行业当中，这样可以随着我国硬科技发展的浪潮实现更高的自我价值，同时也可以尝试点亮大众对硬科技的好奇心。

但你可能会好奇，现在有那么多“黑科技”，像自动驾驶、深度学习、混合现实，为什么我们要投身于脑机接口的技术与应用？或者为什么我要介绍脑机接口这个技术呢？

答案是，没有哪项技术能像脑机接口一样，会彻底颠覆我们人类文明的进程。脑机接口技术的颠覆性在于，它在试图替代五万年来我们赖以生存的协作工具：语言。它要绕过语言，建立一个能让大脑和外界直接沟通的全新界面。

简单回顾脑机接口的历史，它也是从非常模糊的概念逐步发展而来的。世界首例成功的脑电图连接来自19世纪德国心理医生Hans Berger，之后，到1980年底进行了猴子大脑皮层内脑机接口的测试，再到20世纪90年代杜克大学Nicolelis用猴子大脑运动皮层来控制机械臂，直至迄今为止最成功、临床应用最普及的脑机接口的商业化范例——人工耳蜗的成功实现，这一发展过程经历了100多年的时间。

脑机接口不仅仅会改变我们的交流方式，还会赋予人类一系列“科幻级别”的新能力，比如用意识操控机器、移植记忆、用机械骨骼代替人体骨骼，以及全面提升大脑的算力，等等。用一句话来说，脑机技术一旦实现，人类将一跃成为“超人”。

这些听起来似乎特别玄乎。其实，刚才所介绍的这些功能，科学家已经扎扎实实地开展了几十年的研究，他们正在逐步揭晓实现这些功能的科学基础。在全世界最顶尖的实验室里，脑机接口已经在人类实验上取得了惊人的进展。在实验室外，像人工耳蜗这样的脑机接口产品，也已经开拓出了每年上亿美元规模的市场。再比如，我国目前有3亿人口有轻度的睡眠障碍，脑机接口可以解决人类的睡眠问题，甚至形成几千亿美元规模的有效市场。

脑科学，特别是脑机接口，是整个硬科技领域皇冠上的一颗明珠。它所处的阶段就好似早晨天色即将破晓的时刻，我们目前仅可以看到一点晨曦，但还没看到升起的朝阳。

更早的时候，比如2017年，当我作为“混沌大学”的老师在北大讲课的时候，很少有投资人和企业家听说过脑机接口，当时Neuralink公司也刚成立，那个时候的状态更像是凌晨黎明到来之前，外面还漆黑一片，很多脑机接口科技的脉络还没有很清晰。但我们认为两年之后的状态会是一轮朝阳刚刚升起的时候。那时候谁都能看得到这项技术了，但我们认为那时反而不算是一个最好的了解脑机接口的时机。

所以，现在，刚刚好就是了解脑机接口的最好时机。

前沿技术发展的底层逻辑

在这本书里，我会从科学的视角，与你分享脑机接口技术的发展进程。不过，我想展示的，并不是我们距离“超人”的未来到底还有多远。我要告诉你的是，前沿技术的演进，其实遵循着一些最为朴素的底层逻辑。

第一个底层逻辑是，技术的演进往往不是源于创造，而是源于“组合”。

在人类的技术史上，很多创新，都是因为我们把已经存在的技术，用一种全新的方式组合在了一起。比如涡轮增压发动机，其实是将冷却系统、润滑系统、点火系统等的组合，用新的方式呈现了出来。再比如机关枪，其实是组合了火药、弹簧、灭火器以及水冷系统的技术。

我们会顺着这样的思路，带你一起拆解脑机接口技术。脑机接口技术就是一个超级跨界组合，囊括了脑科学、神经科学、材料科学、心理学、计算机科学等多个学科的研究成果，也高度依赖于这些学科的协同进化。

第二条底层逻辑是，技术的演进并不受困于理论，甚至会比理论先行一步。

如果我告诉你，自行车能向前滚动而不倒的原理直到现在都没有定论，蒸汽机的发明比科学家提出“热力学三定律”提早了100年，你会不会很惊讶？

对于有工程师思维的科学家来说，技术的突破走在理论前面，这毫不令人意外。虽然大脑的工作方式仍然是个谜团，但是并不妨碍我们在实验室里，用脑机接口技术操控机械手臂、激发“心流”、治疗中风或瘫痪。这难道不是技术先行于理论的最佳案例吗！

第三条底层逻辑是一个关于商业的规律。这个规律让我坚定地相信，在这个领域，未来一定会诞生万亿美元规模的公司。

苹果公司是前几年全世界第一个市值突破万亿美元的公司。我认为最关键的原因在于，移动互联网为人类活动创造了全新的空间。这种“拓荒式”的突破，就像哥伦布发现新大陆一样，必然会带来巨大的机会。

你会看到，脑机接口技术将会开发出一片我们从未涉足的无人之地。如果我们的交流是通过意识实现的，如果我们能把思想、情感、记忆都上传到云端，那么我们人类完成协作和创造价值的界面，就会被彻底改变。这个新界面，现在还是一片荒原，但是未来必将被开拓。

所以你看，脑机接口技术之所以值得我们花时间去研究，不仅是因为它很“黑科技”，我希望你从这本书中收获的，还有关于科技发展的普适性道理。

你肯定会好奇，脑机接口技术到底如何实现？它现在进展到了什么阶段？我会用八章的内容来尝试回答这个问题，这些内容可以大致分为以下三个部分。

第一部分，我会为你讲解脑机接口的基本原理。

我们这里说的“脑”，指的是大脑以及我们的神经系统。而“机”，指的是外部设备，如机械臂、外骨骼、无人机、键盘、鼠标、电子皮肤、视觉假体，等等。所以脑机接口的作用，是把我们大脑的想法通过它，传递给外部设备，甚至直接传递给其他人的大脑。

我会介绍大脑的可塑性原理为什么对脑机接口技术格外重要，大脑的边界性、大脑与身体的边界如何定义，以及如何像电影和小说里描述的那样对未来的脑机接口技术进行规划。

我会介绍科学家怎么样采集大脑的信号，让计算机能真正读懂人类大脑；非侵入式脑机接口怎样用于人机交互，怎样用于宠物脑电信号采集以识别宠物的情绪状态。除了脑电设备之外，我们还可以利用其他“翻译”大脑语言的设备来解读大脑，比如近红外脑成像fNIR、功能性核磁共振成像fMRI，等等。

接下来会介绍未来侵入式脑机接口如何突破商业化的两大难关，我还会讲到植入大脑的“神经蕾丝”——由可以助长神经突触发育的材料制成的像贴纸一样薄的石墨烯等脑机设备。还会介绍新材料如何影响脑机接口的发展，比如由新材料制成的电子皮肤贴片不单单可以监测睡眠，还可以用于做心理评估、冥想，等等。

第二部分，我会为你讲解完整的脑机接口应用体系。

我搭建了一个四层的金字塔，这是一个从出发点到终极目标的清晰路径。通过攀登这个金字塔，你会看到脑机接口技术如何破解人类进化密码，让人类进化成为超人。

金字塔的最底层是“修复”。 指的是脑机接口技术如何修复身体机能，比如，让瘫痪病人重新站起来行走，让失明的人重新获得视觉功能。这是脑机接口的初衷，也是实验室里研究最深入的一项应用。不过你一定可以想到，这一层的技术复杂程度非常高。又比如，人类拥有通过睡眠来修复自己的能力，我们现在可以通过脑电波来监测睡眠。我会介绍目前关于睡眠的最新研究成果，以及怎样用脑机接口来影响睡眠。最后会介绍怎样通过脑机接口来筛查神经退行性疾病，比如脑中风、阿尔茨海默症，等等。

金字塔的第二层是“改善”。 指的是利用脑机接口技术改善我们的精神状态，比如提高注意力，甚至激发“心流”体验等。这是脑机接口技术目前离商业化最近的应用。精神状态的改善还包括对青少年情绪抑郁的初筛与干预，以此延伸到情感计算；以及怎样利用各类新技术手段，比如用摄像头、语音识别结合脑机接口的方法，来判别抑郁症与自闭症。最后会介绍最近美国食品药品监督管理局（FDA）刚刚认证的数字疗法，通过电子游戏来改善儿童注意缺陷与多动降碍（ADHD，俗称多动症）的最新进展。同时也会提到，怎样利用调节肠道菌群的方法来改善自闭症与抑郁症。

金字塔的第三层是“增强”。 埃隆·马斯克曾经断言：脑机接口相当于给人类的大脑，添加了一个叫作“数字化第三层”的新结构，这个新结构，会让我们的智能水平大幅度增长，超越我们的生物极限。这是什么意思？能实现吗？如何用脑机接口实现记忆移植？人可以在数字世界实现永生吗？这一章会提到目前世界上能达到的最多通道数的脑机接口——Paradromics的包含6万个电极的芯片，以及马斯克的Neuralink公司截至2021年8月份的最近研究进展。

金字塔的最顶层是“沟通”。 如果我们把思考的尺度，从人类个体放大到群体会怎么样呢？在顶层，我们一起看看，脑机接口将如何颠覆“语言”这种低效的沟通方式，以及为什么这件事可能会创造出一种全新的“群体智能”，同时介绍最有可能实现的脑机接口。最后介绍脑机融合的未来，手术机器人的应用，脑机接口系统整合的实现，应用脑机融合的深脑刺激合作开发闭环融合的脑起搏器，进行脑机融合式运动控制，应用柔性的触觉反馈，等等。

这四层金字塔的应用要是都实现了，那我们人类真的就是靠技术的力量实现了下一步的进化。

不过，这一定是好事吗？和机器完美融合之后，我们到底是“人类”，还是“机器人”呢？我们的脑数据安全，又如何保障呢？

在最后一部分，我们会再次回归现实，探讨目前全球人类在脑机研究方面的进展，并介绍脑机接口怎么样让人机交互从2D交互变成未来的3D交互，以及相关的技术进化与元宇宙的结合。最后也将探讨脑接机口给人类社会带来的伦理挑战和文明冲击。

本书得以成稿，特别感谢电子工业出版社编辑牛平月老师，和我在柔灵科技的同事、首席科学官、奇点实验室主任、计算神经科学家刘冰博士，资深医疗信息化与医疗器械专家陈文凯先生，退行性疾病神经生物学家万力博士的修改意见和真知灼见，以及陈涵、李凌菲、黄可铖、林华、陈煜、孙玻、曹琪琪、孙丽丽、严世乔、朱向阳、黄开迪、雷舒雯等同事朋友。在我们柔灵科技的每个周末的晚上，都会有一个叫“脑璨会”的学术讨论会。脑璨会其实就是英文Brain Storming（脑力风暴）的一种特定译法。但其实这个名字来源于以前我在美国担任顾问的一个北美PhD（Philosophy Doctor，哲学博士）联盟。我们在美国的博士团体，为了自嘲，就把PhD改写成为Permanent head Damage，中文翻译是永久性脑损伤，也就是“脑残”的意思。而“脑残”跟“脑璨”谐音，所以我们博士联盟的组织就叫脑璨会，一语双关。我后来就把这个名字移植到柔灵科技公司每周的学术研讨会上来。在柔灵脑璨会里，我也得到了很多来自同事的各种各样的灵感。我把这些内容，还有这些相关的知识，全部都集结成册，在这里跟各位读者交流。同时，还要感谢“得到App”之前的同事邵恒、邸泰深、小双、嘉树，本书得以从“得到App”《前沿科技之脑机接口》的底稿基础上掇英成书，也从戚宇舸先生、上海交大孟建军博士、波士顿大学杨程博士等诸多朋友处得到很多灵感。也特别感谢我的太太王忆楠女士的默默付出与支持。