人工智能與生物科技的交叉學(xué)科領(lǐng)域受美軍關(guān)注

近年來(lái)，隨著“第三次抵消戰(zhàn)略”的深入推進(jìn)，美軍重點(diǎn)部署人工智能、生物科技等前沿技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展，尋求獲取新的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。作為人工智能與生物科技的交叉學(xué)科領(lǐng)域，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)具有顛覆未來(lái)作戰(zhàn)樣式的巨大軍事應(yīng)用潛力，日益受到美軍關(guān)注。

為加速搶占這一新興科技制高點(diǎn)，美陸軍早在2010年5月即著手組建“認(rèn)知與神經(jīng)工程學(xué)協(xié)作技術(shù)聯(lián)盟”（CaN CTA，下稱(chēng)技術(shù)聯(lián)盟），匯聚美陸軍研究實(shí)驗(yàn)室頂級(jí)科學(xué)家、世界一流的研究團(tuán)隊(duì)和經(jīng)驗(yàn)豐富的行業(yè)合作伙伴，開(kāi)展真實(shí)作戰(zhàn)任務(wù)環(huán)境下人腦功能機(jī)制研究，旨在增強(qiáng)高負(fù)載動(dòng)態(tài)信息條件下的個(gè)體和群體協(xié)同作戰(zhàn)能力。近年來(lái)，技術(shù)聯(lián)盟為增進(jìn)對(duì)復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下作戰(zhàn)人員神經(jīng)認(rèn)知行為的理解，在全面監(jiān)測(cè)大腦和身體的便攜式傳感器系統(tǒng)、大規(guī)模集成實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、處理高維數(shù)據(jù)集的算法創(chuàng)新等領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展，部分研究成果于2018年4月舉行的兩年一次的研究管理委員會(huì)會(huì)議上進(jìn)行了演示。未來(lái)兩年，技術(shù)聯(lián)盟還將開(kāi)展先進(jìn)算法、腦機(jī)交互技術(shù)、現(xiàn)實(shí)世界的神經(jīng)影像等新領(lǐng)域研究，繼續(xù)推動(dòng)并引領(lǐng)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展。

一、面向戰(zhàn)場(chǎng)認(rèn)知能力提升，明確研發(fā)需求

隨著新一代信息技術(shù)的飛速發(fā)展，智能戰(zhàn)爭(zhēng)日益迫近，認(rèn)知能力將在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)發(fā)揮舉足輕重的作用。認(rèn)知能力不僅包含對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)，還包含對(duì)敵我雙方軍事能力的深刻認(rèn)知。對(duì)作戰(zhàn)人員而言，強(qiáng)大的認(rèn)知能力和運(yùn)動(dòng)感知能力是有效利用先進(jìn)軍事技術(shù)的能力基礎(chǔ)，特別是傳感器部署、自動(dòng)化和通信帶寬等方面的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)作戰(zhàn)人員信息融合處理能力提出更高要求。面對(duì)日益復(fù)雜的信息環(huán)境，作戰(zhàn)人員在理解和決策方面的認(rèn)知短板，將阻礙先進(jìn)戰(zhàn)場(chǎng)技術(shù)的應(yīng)用，并成為軍事能力提升的關(guān)鍵瓶頸。

美陸軍著眼未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)認(rèn)知能力的需求，進(jìn)一步明確認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)發(fā)展方向，希望將認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的基礎(chǔ)研究成果應(yīng)用于理解作戰(zhàn)人員在復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境中的神經(jīng)認(rèn)知行為，持續(xù)監(jiān)測(cè)和解讀大腦/行為活動(dòng)指標(biāo)，包括

①作戰(zhàn)人員注意力的深度、分布和移動(dòng)

②作戰(zhàn)人員對(duì)輸入信息重要性的評(píng)價(jià)

③作戰(zhàn)人員行為的動(dòng)機(jī)和意圖

④疲勞、壓力等生理狀態(tài)對(duì)認(rèn)知和感知表現(xiàn)的影響等

二、制定科學(xué)愿景，厘清技術(shù)發(fā)展路徑

認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)屬于典型的前沿交叉學(xué)科，需要匯聚各方面專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)力量，在共同愿景下凝聚共識(shí)、協(xié)同推動(dòng)學(xué)科領(lǐng)域長(zhǎng)遠(yuǎn)健康發(fā)展。為此，美陸軍技術(shù)聯(lián)盟在深入研討、廣泛征求各方面建議基礎(chǔ)上，依據(jù)對(duì)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)未來(lái)發(fā)展的科學(xué)研判，制定科學(xué)愿景，即通過(guò)整合神經(jīng)科學(xué)、心理學(xué)、運(yùn)動(dòng)機(jī)能學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和工程學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究成果，致力于提高對(duì)真實(shí)作戰(zhàn)任務(wù)環(huán)境下人腦功能機(jī)制的認(rèn)識(shí)，了解作戰(zhàn)人員在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境中的神經(jīng)認(rèn)知行為，提高作戰(zhàn)能力。

為實(shí)現(xiàn)科學(xué)愿景，技術(shù)聯(lián)盟重點(diǎn)探究作戰(zhàn)環(huán)境下神經(jīng)科學(xué)研究的新方法和新能力，包括：

①開(kāi)發(fā)新的實(shí)驗(yàn)范式

②開(kāi)發(fā)新型可穿戴傳感器，用于監(jiān)測(cè)大腦和身體動(dòng)態(tài)

③獲取和處理高維數(shù)據(jù)集，用于描述身體行為、心理行為、生理行為和環(huán)境背景

④發(fā)現(xiàn)用來(lái)識(shí)別和描述高維數(shù)據(jù)集的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系模型和新方法，這些高維數(shù)據(jù)集反映了大腦功能、行為和環(huán)境在執(zhí)行復(fù)雜作戰(zhàn)任務(wù)中的動(dòng)態(tài)變化

⑤從參與者的大樣本中獲取和分析數(shù)據(jù)，以描述個(gè)體之間和個(gè)體內(nèi)部的差異，系統(tǒng)研究來(lái)源于認(rèn)知監(jiān)測(cè)的個(gè)體模型之間的關(guān)系。

三、強(qiáng)化軍民科技融合，加速技術(shù)創(chuàng)新與轉(zhuǎn)化

技術(shù)聯(lián)盟真正體現(xiàn)了軍民融合理念，它匯聚了美陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、DCS公司、加州大學(xué)圣地亞哥分校、***交通大學(xué)、密歇根大學(xué)、奧斯納布呂克大學(xué)（德國(guó)）、德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、賓夕法尼亞大學(xué)、約翰霍普金斯大學(xué)等13家成員單位的世界一流研發(fā)人才，通過(guò)學(xué)術(shù)界、私營(yíng)企業(yè)和陸軍研究實(shí)驗(yàn)室三方積極協(xié)作，共同推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新從前沿基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)化為戰(zhàn)場(chǎng)解決方案。其中，學(xué)術(shù)研究實(shí)驗(yàn)室是國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)創(chuàng)新的儲(chǔ)備庫(kù)；行業(yè)合作伙伴負(fù)責(zé)進(jìn)行研究成果的技術(shù)轉(zhuǎn)化；陸軍研究實(shí)驗(yàn)室則專(zhuān)注于以作戰(zhàn)人員為中心的研究，確保項(xiàng)目解決陸軍面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。聯(lián)盟成員中不乏被廣泛認(rèn)可的世界頂級(jí)研究機(jī)構(gòu)，其中5個(gè)位列前1%的全球高產(chǎn)出研究機(jī)構(gòu)，3個(gè)位列全球神經(jīng)科學(xué)和行為學(xué)科領(lǐng)域的十大頂尖大學(xué)。

技術(shù)聯(lián)盟主要通過(guò)與其成員簽署合作協(xié)議，提供基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助；也可通過(guò)技術(shù)轉(zhuǎn)化合同授予DCS公司（技術(shù)聯(lián)盟的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者），開(kāi)展技術(shù)轉(zhuǎn)化應(yīng)用。技術(shù)聯(lián)盟的所有項(xiàng)目、技術(shù)、財(cái)務(wù)和行政事務(wù)由聯(lián)盟管理委員會(huì)負(fù)責(zé)，該委員會(huì)由來(lái)自每個(gè)技術(shù)聯(lián)盟成員的一名人員組成。根據(jù)技術(shù)聯(lián)盟合作協(xié)議要求，政府只保留不超過(guò)10%的經(jīng)費(fèi)權(quán)，用于獎(jiǎng)勵(lì)向政府提交與其項(xiàng)目目標(biāo)一致的建議案。目前，技術(shù)聯(lián)盟開(kāi)發(fā)的技術(shù)與工具，正在向技術(shù)聯(lián)盟內(nèi)外的學(xué)術(shù)界、政府和行業(yè)伙伴進(jìn)行轉(zhuǎn)化。技術(shù)聯(lián)盟已與美國(guó)防部其他機(jī)構(gòu)合作，支持人類(lèi)自主集成研究、神經(jīng)生理學(xué)和未來(lái)技術(shù)性能研究。同時(shí)，正在與消費(fèi)電子行業(yè)探討腦電圖學(xué)的應(yīng)用，積極吸引消費(fèi)者產(chǎn)品領(lǐng)域的潛在轉(zhuǎn)化用戶(hù)。此外，還與汽車(chē)行業(yè)巨頭進(jìn)行持續(xù)對(duì)話，討論在汽車(chē)工業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用，并擬啟動(dòng)合作研究項(xiàng)目。

四、前期研發(fā)成果顯著，調(diào)整明晰未來(lái)重點(diǎn)領(lǐng)域

在技術(shù)聯(lián)盟成立后的前4年，為增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜環(huán)境下相關(guān)行為的大腦功能機(jī)制的理解，技術(shù)聯(lián)盟確定了要重點(diǎn)攻克的技術(shù)壁壘，通過(guò)開(kāi)展有針對(duì)性的研究取得了顯著進(jìn)展，為技術(shù)聯(lián)盟的未來(lái)發(fā)展方向提供了新見(jiàn)解。例如，在用戶(hù)可接受的便攜式傳感器系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中大腦和身體的全面監(jiān)控；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模集成實(shí)驗(yàn)，可在更少限制和更自然的實(shí)驗(yàn)范式中探究大腦和身體的處理機(jī)制，大規(guī)模集成實(shí)驗(yàn)生成了前所未有的整體數(shù)據(jù)集，可針對(duì)不同個(gè)體的大腦處理機(jī)制進(jìn)行更強(qiáng)大的建模，并描述差異；實(shí)現(xiàn)了計(jì)算方法的創(chuàng)新，可用于處理大規(guī)模高維數(shù)據(jù)集。下一步，技術(shù)聯(lián)盟將更加關(guān)注神經(jīng)科學(xué)研究存在的一些重要差距，并將研究?jī)?nèi)容重新調(diào)整為先進(jìn)算法、腦機(jī)交互技術(shù)和現(xiàn)實(shí)世界的神經(jīng)影像等三個(gè)新領(lǐng)域。

一是先進(jìn)算法。重點(diǎn)探究大規(guī)模集成實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的大型多元數(shù)據(jù)集，創(chuàng)建和改進(jìn)算法，從而使未來(lái)的腦機(jī)交互技術(shù)更加強(qiáng)大和安全。

二是腦機(jī)交互技術(shù)。重點(diǎn)解決限制廣泛采用腦機(jī)交互技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題，主要通過(guò)開(kāi)發(fā)可適應(yīng)心理狀態(tài)變化的腦機(jī)交互算法，直接解決潛在的穩(wěn)健性和非平穩(wěn)性問(wèn)題；通過(guò)使用新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，提高腦機(jī)交互技術(shù)針對(duì)新用戶(hù)進(jìn)行快速和準(zhǔn)確調(diào)整的能力；通過(guò)將腦機(jī)交互技術(shù)與智能輔導(dǎo)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建人類(lèi)機(jī)器人通信詞典的新方法。

三是現(xiàn)實(shí)世界的神經(jīng)影像領(lǐng)域。重點(diǎn)探究現(xiàn)實(shí)世界的壓力和疲勞波動(dòng)，拓展在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行大腦檢測(cè)，通過(guò)利用已開(kāi)發(fā)的整體監(jiān)測(cè)方法，影響真實(shí)環(huán)境和模擬環(huán)境中的行為。此外，技術(shù)聯(lián)盟還將拓展干電極的無(wú)線腦電圖學(xué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，研究提高干電極材料可靠性和性能的方法。

為引領(lǐng)未來(lái)發(fā)展，技術(shù)聯(lián)盟還不斷探索未知領(lǐng)域，力求發(fā)現(xiàn)更多的信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，開(kāi)發(fā)更強(qiáng)大的腦機(jī)交互技術(shù)。其未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)有三項(xiàng)：

一是腦機(jī)交互技術(shù)的穩(wěn)健性研究。技術(shù)聯(lián)盟從第5年開(kāi)始研究目前長(zhǎng)期應(yīng)用的腦機(jī)交互技術(shù)原理和模型的穩(wěn)健性，完善對(duì)大腦長(zhǎng)時(shí)間處理過(guò)程穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)，提出未來(lái)腦機(jī)交互技術(shù)在修正用戶(hù)變化上的具體需求。該項(xiàng)目為期3年。

二是壓力和疲勞研究。壓力和疲勞是認(rèn)知能力下降的主要原因，技術(shù)聯(lián)盟將檢測(cè)日?，F(xiàn)代生活（如開(kāi)車(chē)和大學(xué)課程學(xué)習(xí)）中感受到的疲勞和壓力，繼續(xù)改進(jìn)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中獲取多元神經(jīng)成像數(shù)據(jù)的方法，從而提高對(duì)壓力和疲勞影響的理解，促進(jìn)壓力和疲勞在現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境中的作用機(jī)制研究。

三是算法研究。主要用于探索大型多元數(shù)據(jù)集。大規(guī)模集成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試的方法也將應(yīng)用于上述工作收集到的大型多元數(shù)據(jù)中，以便能在現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)受試者內(nèi)部和受試者之間的差異進(jìn)行分析。