脑机接口技术：军事领域应用

智能装备，国防，技术预见，态势感知，指挥控制

序

脑机接口(BCI)技术是近年来兴起却鲜有被公开讨论的研究，但无可否认脑机接口技术的发展会对未来产生深远影响。脑机接口技术可能会改变未来军事领域的格局，对此，兰德公司的专家初步分析了基于脑机接口技术的军事应用的优势以及潜在的风险。

分析报告的结构如下：

1. 通过文献回顾和与主题专家的讨论，总结了技术并确定了开发工作的关键领域。
2. 基于技术发展的特定主题与军事专家讨论，从而确定可能的军事应用。
3. 综合技术发展和操作相关性(operational relevance)对脑机接口技术是否在军事部署中有价值以及如果有价值该如何实施这两方面进行整体评估。
4. 基于技术与使用方法的评估结果，预测了一组未来的BCI能力——一个未来的BCI工具箱。
5. 将BCI工具箱用于一款基于包含了城市战术统筹示例场景的桌游，并用该桌游更广泛地探索BCI技术的预期可行性，以及各种BCI能力与不同战术任务的相关性。
6. 在整个过程中，从技术、制度、法律/道德三个纬度探索BCI的漏洞，风险，以及风险缓解策略。

技术回顾与发展简介

虽然 BCI 的实际意义最近才变得更加明显，但该领域的工作已经持续了近一个世纪。 事实上，第一个人类脑电图 (EEG)（一种用于跟踪和记录脑波模式的设备）于 1929 年发表。Jacques Vidal 于 1973 年创造了术语脑机接口，此后该领域的研究仍在继续。 BCI 往往分为以下几类，它们为后续章节中研究操作相关性和应用能力提供了一个框架：

• 从大脑传输数据

• 直接系统控制

• 假肢和瘫痪治疗

• 皮质耦合AI（用于训练或运行人工智能系统）

• 向大脑传输数据，以及大脑与大脑之间的交流。

这些主题中的每一个都可以进一步细分为侵入式系统和非侵入式系统。

侵入式系统涉及在人类颅骨下方、大脑内部植入电子设备。手术允许从业者将植入物准确地放置在需要监测控制特定神经功能的精确神经元组的位置，但它会带来健康风险。

非侵入式系统位于头骨外。 虽然这降低了用户的风险，但颅骨本质上充当过滤器并抑制电信号。外部电极拾取的信号不太清晰，而且更难以确定哪些神经元在放电。

从大脑传输数据

主要目标是评估认知性能。为此，陆军研究实验室 (ARL) 使用 3D 打印来制造完美贴合每个用户的头盔，然后结合 EEG 传感器来监测大脑活动。 空军还在寻求一种内置于飞行员头盔中的基于摄像头的综合认知监控系统，以监控认知工作量和压力，头盔可以根据飞行员独特的身心状况调整显示内容。ARL 赞助的另一项研究调查了基于 EEG 读数预测昏昏欲睡和警觉状态的深度学习解决方案，DARPA 赞助的团队已经测试了使用算法检测与情绪障碍相关的模式的“闭环”大脑植入物。中国也有越来越多的研究使用BCI 设备监控与抑郁、焦虑或愤怒相关的情绪高峰。

直接系统控制

即用户通过大脑活动无线控制机器。 在一个广为人知的例子中，DARPA、约翰霍普金斯应用物理实验室(APL) 和匹兹堡大学使用 BCI 植入物允许四肢瘫痪的女性操作飞行模拟器。研究人员还通过非侵入式测量脑电图信号来纠正机器人错误。其他研究项目专注于无人机控制。在DARPA和美国陆军的资助下，以人为本的机器人与控制实验室(Human-Oriented Robotics and Control Laboratory)的研究人员使用户能够控制一群无人机。该实验室的研究人员表示，该技术可以在五到十年内在军队中实际使用。更多应用还包括在偏远或无法进入的环境中提供医疗帮助、搜索和救援以及探索。最后，佛罗里达大学的研究人员使用商业硬件构建并演示了使用能够无线控制普通小型无人机的低成本系统。除了军事应用之外，医疗保健部门也在 BCI 直接控制取得了重要的进展，尤其是涉及侵入式系统。斯坦福大学的工作使截瘫患者能够用他们的思想控制计算机鼠标和计算机软件。主要研究人员之一 Krishna Shenoy 博士建议说：“五年内，自校准、完全植入的无线系统可以在没有护理人员协助的情况下使用，不会影响美观，并且可以全天候使用。“

假肢和瘫痪治疗

本质上式直接系统控制工作的一个子集。这项工作的大部分涉及侵入性系统，主要是因为需要以相对较高的准确度针对特定的神经元集。 从概念上讲，最复杂的假肢是脊髓。有研究人员使用电极重新连接猴子和大鼠的运动皮层和脊髓，恢复运动能力。凯斯西储大学使用了一个类似的程序，称为功能性电刺激，通过绕过脊髓使手臂和手部运动。作为革命性假肢计划的一部分，DARPA 和 APL 进行了关于支持 BCI 的假肢的研究，这些假肢使用皮层内微刺激向用户（直接向大脑）提供反馈并唤起感觉 。

皮质耦合AI

来自人脑的数据（或信息）不仅可用于通知评估工具或驱动系统，还可用于通知具有皮质耦合 AI 的软件。与使用大脑信号来控制计算机或系统不同，皮质耦合计算机系统会机会性地感知大脑状态，捕获用户的隐式或显式计算，然后通过神经接口将这些信息传达给传统的计算机系统。然后，这些信息可能有助于训练 AI 系统。 BCI 的这种使用代表了人机协作水平的提高，允许人类用机器（或计算机）思考，或者更具体地说，将人类的思想或数据整合到机器执行的过程中。实时 BCI 交互可以消除当前对预先确定的计算机代码来传输信息的要求，解决传统人机集成的关键瓶颈之一。Neuralink 的创始人埃隆·马斯克表示：“大脑的一些高带宽接口将有助于实现人类和机器智能之间的共生，并可能解决控制问题和有用性问题。 ”

向大脑传输数据，以及大脑与大脑之间的交流

除了从大脑中提取数据之外，还有一些工作探索如何将信息植入或传输到大脑本身。实现高效系统和假肢控制的一个重大挑战是向用户反馈，提供有关被控制系统的信息。例如，尽管实验室环境中的患者可能能够使用 BCI 控制假手，但他们不一定会在没有看到假手的情况下意识到假手的位置，除非他们可以直视它以获得视觉反馈。

读取大脑信号并在大脑中发送或植入信息的研究的自然延伸是脑对脑交流。 在 ARL 的资助下，华盛顿大学的研究人员进行了一项非侵入式系统的试点研究，该系统使用 EEG 读取基本的大脑信号，通过互联网传输它们，然后使用经颅磁刺激将运动反应传输给第二个用户。这些信号代表了简单视频游戏中非常基本的动作，例如向左或向右移动。 尽管如此，尤其是考虑到这些信号是通过互联网传输的，即使是基本思想也可能通过互联网发送，这本身就带来了许多机会和许多涉及安全和道德的风险。 作者将这项工作扩展到五组，每组三人，两人发送信息，第三人接收信息，三人共同玩类似俄罗斯方块的游戏。 这项工作遵循了早期在大鼠之间传递信号的实验以及从人到大鼠的信号传递。

发展方向

一般来说，大多数 BCI 工作的方向与传输数据的数量和质量有关。从人脑提取和传输数据的保真度可能会提高，信号带宽可能会提高。

尽管目前尚无概念验证，但从人脑传输数据的一个潜在前沿可能性是远距离无线评估。这些可能使指挥官能够远距离评估士兵的状态甚至敌人的状态。

对于直接系统控制，将需要更多的工作来转移复杂的操作或策略以抵抗分心。

关于假肢，下一步是建立新的神经连接。目前，关于假肢的 BCI 工作涉及旨在读取大脑信号并在大脑中发送或植入信息的研究的自然延伸是脑对脑通信，将现有神经元重新连接到物理系统，提供控制从未存在的假肢（和相关神经元）的能力更具挑战性。

对于向大脑传输数据，最终目标是为大脑提供直接、高保真信息（例如，隔离的记忆植入）。与远程无线评估一样，这种能力尚不可行，但仍然是 BCI 领域的目标。

BCI 的一个特别有趣的前景是它与物联网 (IoT) 的集成。 国防部认为，物联网可以通过允许实时监控物资和武器系统的状态来提高战备状态。物联网具有战术应用，包括让作战人员访问传感器和数据，而 BCI 可以增强这种能力。

技术挑战与风险

尽管 BCI 可能会发现令人兴奋和充满活力的未来，但当然也存在技术挑战和风险。或许 BCI 开发中最重要的技术挑战是信号清晰度和侵入式系统提供的针对特定神经元的能力以及非侵入式系统的易用性之间的权衡。

另外电极可能诱发感染，并会随着时间的推移而降解。 疤痕和疲惫（当神经底物停止反应时）会降低信号强度， 因此生物相容性也是一个重要的限制。

目前所有的植入物都会腐蚀，因此限制了它们的使用期限。并且，BCI 所需的硬件（放大器、电缆、传感器等）仍然太大，无法在实验室外实际使用。

尽管必须解决上述技术风险，但 BCI 目前正在探索的应用程序和基础功能表明 BCI 可能具有可行的战争用途。因此，后续部分考虑在军事环境中使用 BCI 的操作影响。

BCI技术如何在军事环境下应用

本章从两个点出发讨论BCI技术如何在军事环境下应用。第一点，考虑未来作战人员体验的相关特征，以推断 BCI 的潜在应用。第二点，结合美国军事研究组织的开源材料以及与相关专家的讨论，考虑如何在当今的操作环境中应用BCI技术。

该分析为引入BCI工具箱提供了信息，该工具箱是兰德公司BCI TTX（前文所说的桌游）的概念基石。

未来

在作战层面， 人类作战人员的战争特征和作战经验可能在很大程度上受到军事技术创新的快速进步的驱动。随着美国和潜在对手都开发和部署新的战场技术，人与机器之间的协作关系可能会演变 并对未来作战人员的认知工作量提出新要求。 关于BCI的潜在应用，未来的作战人员可能有更高的要求：

• 消化和综合来自人和机器的广泛的网络的大量数据。

• 基于人工智能、增强的连接性和自主武器的进步，更快地做出决策。

• 监督更多数量和类型的机器人，包括群体。

形势：大量数据

在关于未来作战的讨论中反复出现的一个主题是，大量信息的综合可能会使决策变得复杂。例如，在地面作战期间，信息源可能包括诸如声学传感器网络之类的工具，它可以提供远程枪声的位置，或用于检测成群机器人的无人机跟踪器。在物联网定义的未来战场中，智能设备、士兵佩戴的传感器和无人驾驶飞机可能会向服务人员提供可操作的数据。

广泛的数据和新的信息来源可能会提高未来的态势感知能力，但也可能会使运营决策者处理的考虑复化。

针对这一问题，各军种已经在寻求促进作战人员和决策者之间快速和广泛的数据流通的方法，以改善互连军事系统的顺利运行。BCI 系统可以作为支持这一努力的潜在未来工具，允许人类分析员和操作员进行监控。为解决信息过载的可能性，未来的服役人员可能会更广泛地使用人工智能。 在未来的战场上，人工智能工具可以帮助人类操作员评估环境、整理数据，并最终让操作员消化更多的信息。

在接下来的几十年里，美国和同类竞争者可能会寻找新的方法来加快决策周期。

最后，未来的人类作战人员可能需要监督大量自主和半自主系统并与之互动。例如，在复杂的城市环境中，无人机群可能会被纳入战术和作战层面；未来的地面作战将把机器人技术纳入供应链和后勤链等。

BCI可能的应用

一般来说，BCI 理论上可以用于帮助未来的作战人员在更短的时间内做出更明智的决策，或者比当前的同行更有效地与更多的机器人系统互动。

实验研究表明，脑机接口可能能够提高人类决策的速度和准确性。例如，在未来的脑机接口团队中，人工智能理论上可以将初始数据分析从飞机或无人机直接传输到操作员大脑的相关中心。在战斗中，BCI 因而可以通过呈现信息和绕过物理感官的新方式加速操作员的观察、定向、决定、行动 (OODA) 循环。BCI 还可用于更有效地与人工智能互动，以加速人类运营决策。 基于BCI，甚至也许可以实现个体操作员对车辆，机器人，无人机等设备的集群控制。

一些学者猜测，启用人工智能的战场可能会导致战争的阶段性转变，其中作战节奏超过人类决策的速度，对此，一些中国学者将其称为战场奇点，一些美国学者将这一概念称为超级战争。

如果这种关于人工智能和自动化在战争中的作用的假设是准确的，那么 BCI 可能是让人类解决信息过载的唯一方法，未来的服务人员可能会更广泛地使用人工智能。

当今

即使在今天，如果 BCI 技术可用，由于它们允许直接访问人脑，因此可以产生特定的操作优势。 一些国防部研究计划公开确定了 BCI 的潜在军事作战应用，这些应用可能与现有作战环境相关。

BCI 技术可能被证明对当今军事人员有用的一个领域是人类操作员之间的心灵感应。2009 年，DARPA 的“Silent Talk”计划“通过分析神经信号，允许用户在战场上进行交流，而无需使用语音”，该应用可以极大地促进秘密交流。早在 2008 年，空军就研究了战场指挥控制系统，利用脑电图和眼动来“评估操作员的实际认知状态”，以“防患于未然”。2009 年，DARPA 的“Silent Talk”计划“通过分析神经信号，允许用户在战场上进行交流，而无需使用语音”，该应用可以极大地促进秘密交流。此外，如果可以洞察士兵情绪状态的技术可能会提供危险信号，例如，士兵是否以及何时可能在心理上“崩溃”，士兵何时可能有精神病倾向，或者士兵何时开枪打偏。

BCI技术还可以用于提高战斗人员的认知能力。例如通过电或化学刺激提高相关人员的记忆储量；使用BCI直接连接神经以加速军事训练等等。

最后，BCI还可以用于减轻疼痛，调节恐惧等。

BCI决策桌游

BCI 能否支持国家安全和未来战争？ 如果可以，其将如何支持？为了进一步测试这一点，兰德团队开发了一个国家安全游戏，其核心是（预测的）未来 BCI 能力的工具箱。 该游戏汇集了具有技术和操作经验的专家，并要求他们做出选择，以决定他们将采用何种 BCI 技术以应对各种军事任务。

该游戏给出了未来军事领域BCI的应用方式并提供了对BCI潜在漏洞和风险的见解。

BCI工具箱

BCI工具箱中包含了6组兰德团队猜测的未来BCI功能（框架设定为2040年）。在桌游中，BCI工具箱中的功能作为卡牌被参与者打出到其认为该BCI功能将会发挥作用的场景中。6组BCI功能如下：

人机结合决策制定(Human-machine decisionmaking)

这一功能即将传感器获取的数据输入人脑中，这可以帮助用户对信息进行汇总与传输。例如，计算机将各类数据以易于理解的形式进行分类，以帮助用户更快，更准确地做出响应或通过皮质耦合AI将数据从人脑导入计算机，帮助用户更快地消化信息。

人机直接系统控制(Human-machine direct system control)

该功能使得作战人员可以以无线方式控制系统。例如，仅通过简单的思考立即开启或关闭武器，通过思想直接无线控制无人机，机器人等。

人-人通讯与管理(Human-Human communication and management)

这部分功能主要是作战人员与指挥官之间无线传输命令或思想，可以促进战时计划或策略的即时和无声的沟通。

表现监控(Monitoring performance)

表现监控功能有助于了解个人或团队的情绪，认知和身体状态。通过BCI监控神经信号，检测一个人是否疲劳，注意力是否集中，精神压力程度等等。

认知与身体表现增强(Enhancement of cognitive and physical performance)

这部分功能可以改善作战人员在战场上的认知和身体状态。认知状态方面，通过BCI增强作战人员的注意力与警觉性，从而实现快速响应；身体状态方面，通过BCI消除作战人员的恐惧情绪，调节心理压力，抑制疼痛感觉等。

训练(Training)

通过BCI改善或操作作战人员记忆，甚至可能通过BCI直接将训练得到的知识植入作战人员的记忆中，从而实现加速训练。

游戏设置

手牌

每个参与者（均为军事领域专家）的手牌即为前文中BCI工具箱中的七(认知与身体表现增强被拆成了两个)个功能，每个功能有三张手牌。

场景

游戏的场景选取以城市步兵作战为基础，因为兰德团队认为这最具有挑战性。游戏共设有2个场景：

1. 肃清建筑物
2. 伏击与伤员疏散

子任务

针对某一场景，安排子任务完成该场景的目标，如图第三步所示。

BCI-任务匹配

各自将BCI功能手牌打出到认为应使用该功能的子任务中。

专家意见整合&讨论

整合各个专家的意见，针对相同场景的不同选择进行讨论，讨论BCI在该作战场景中的优势。

收集结果&讨论风险

从专家处获得有关对手如何利用 BCI 功能的反馈，讨论各个场景使用BCI可能带来的风险。

游戏结果

6种 BCI 功能中，三种功能使用最多。

首先，专家将 BCI 支持优先考虑到人机决策，希望在混乱的战斗中整合来自多源的信息或在战斗中加速决策。

其次，通过 BCI 的直接系统控制可以为战斗人员提供对半自主系统和无人机群的免提控制。 第三，增强的身体表现将提供更好的听觉和视觉能力，或者对外骨骼的更流畅控制。

专家指出，未来服役人员之间的直接脑对脑交流虽然需要比 2040 年时间框架内可能可用的技术更先进，但在允许团队在清理建筑物时协调行动方面是革命性的。

讨论还表明，未来使用 BCI 可能会放大网络安全风险，这些技术可能会增加被对手利用的风险，并对当前的军事组织结构产生最大的影响。

风险与建议

风险

BCI技术必然会为未来军事形势带来巨大影响，但与其他革命性技术一样，BCI技术同样会带来风险。

风险主要有三方面，第一是技术本身的弱点，第二是制度脆弱性，第三是伦理道德方面的问题。

技术弱点

BCI技术需要捕获神经微弱的电信号，通过网络传递，从而达到人机结合，人人心灵感应等等的目的。

因此，首要问题在于，这种微弱电信号的捕获，是否会因为复杂的战场环境而收到干扰，甚至其使用的通讯网络是否会被对手劫持导致信息泄露，甚至被黑客破解BCI信号直接对参战人员的大脑进行操控或伤害等。

制度脆弱性

与战术应用相关的BCI研究很大程度上是由技术进步推动的，而不是由军事领域对BCI能力的需求拉动的。这很大程度上因为BCI技术的引入可能会带来制度脆弱性，例如，作战人员是否会因为对BCI设备不信任而产生不满情绪；作战个体间使用“心灵感应”进行通讯是否会影响士兵间的情感和心里联系；高级军官通过BCI直接了解基层士兵的心理、身体状态，是否会使得基层领导存在的意义降低。

伦理道德及法律问题

BCI技术最可怕的含义是其有可能促进对人类的极权统治。随着BCI技术的进步，支持和使用这项技术的政府机构将需要开发系统来监督和管理BCI的使用以减少滥用。首先是隐私问题，选择使用BCI技术可能会永久消除个人隐私，因此，如何在作战环境中保证隐私权成了首要问题，例如，BCI从大脑中提取的数据是否应被匿名化；通过BCI培养/识别超级战士是否合适等。其次，关于BCI操作员的追责问题，例如，如果BCI操作员通过人机结合的方式发出了不正当的指令，那么人应该承担多少责任合适。

建议

对于BCI技术的潜在风险，兰德团队对此提出了一些建议：

1. 扩展分析以阐明运营相关性和漏洞：兰德团队通过设计桌游对未来BCI技术的应用以及风险做了简要分析，类似的分析的规模应该被扩大，例如可以通过军事演习以探索BCI技术对未来作战的实际效果。
2. 解决信任危机：随着BCI技术的发展，可以先通过例如医疗这方面工作为战士带来短期利益；在引入战斗场景之前，在非战斗场景中进行故障测试等方法降低BCI技术的文化障碍。
3. 提前计划BCI制度：随着政府准备将 BCI 技术纳入未来的军事能力，适当的制度规划将有助于确保顺利推出和执行。 在BCI技术成熟和传播之前考虑伦理和政策问题十分重要，特别是关于 ：
   (1) 特定于服务成员的同意问题
   (2) 侵入式BCI对健康的潜在影响
   (3) 围绕增强人类表现进行考虑(超级战士，个人理解)
   (4) 隐私的潜在风险