不妨让“硅谷钢铁侠”再捣腾下吧。

文/李赓

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,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,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”。

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”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”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“头”一起进入大脑,到达指定深度之后,针就会往回抽,然后把“头”留在大脑之中。一根“头”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”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、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<span data-e=方块区域,都是数模转换模块">左边一块一块的方块区域,都是数模转换模块

在脑机接,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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