一场筹备40年的脑认知救赎

何际平2017-06-29 15:10

(图片来源:全景视觉)

经济观察报 何际平/口述 我1955年4月在上海出生,三岁时,父亲响应支援内地建设的号召,举家迁至河北邯郸,我也跟随去了那里,我的童年、青少年直至成人都在那里度过,非常幸运的是,在我22岁时,1977年,国家首次恢复了高考。我人生的转折点由此而来。

高考时我报了两个志愿,一个是自动化,一个是神经医学,如今我已过了花甲之年,回想起来,我走过的62年人生路里,有40年左右一直在做自动化、神经医学等方面的研究,那时候,只是觉得越研究越有兴味,就像一个人走在森林里,越走越深,一粒粒珍珠被收集起来,直到漫长的筹备工作结束,就剩下用绳子将珍珠串起来了。

我现在就是想用大半生积累的研究成果,带领团队去实现神经智能与人工智能融合的目标,具体一点,就是用生物神经控制与脑认知的技术,来为老龄化和社会压力下,中风后遗症带来的偏瘫、癫痫以及抑郁症等脑部、心理疾病治疗,神经智能与人工智能这两者之间,之前少有相融合的成功案例,全世界都在同一个起跑线上,我们并不比其他人晚,而且我相信我们会跑的比较快,我预计,现在团队初创,两年后研发初始阶段过去,将迎来成果演示阶段,真正的应用阶段也可以说并不遥远了。

波折

我的人生随着时代巨变而沉浮,大学之前,上学时,常常去挖防空洞、做土胚、帮助农民,没正经学习过几天,后来又上山下乡,再后来到工厂当工人,现在想来,这段经历不是虚度光阴,而是人生历练的重要组成部分,所以在大学里乃至后来的人生,我不敢浪费一点时间,因为有太多的未知,需要我去搞清楚。比如生物医学方面的知识,几乎全靠自学的我,吃尽了苦头。

从华中理工大学(现在的华中科技大学)自动化专业本科毕业,到美国马里兰大学机器人专业同时自学生物医学,获得硕士、博士学位,然后到美国麻省理工学院攻读博士后,导师是大狗机器人缔造者MarcRaibert,他是波士顿动力公司的创始人,随后我到费城一家著名的医学院工作,后来又到亚利桑那州立大学生物工程当教授,再后来,我回国教学和做科研……

回忆起来,我高考报的两个志愿,伴随着我度过了40年研究生涯,或许与当时报前就目标清晰有脱不开的关系。

上大学之前,我在一个机械工厂里当工人,那是上世纪70年代中期,彼时的自动化设备经常出现故障,但没人能修,大家都不懂如何修,所以出现了好好的自动化设备不用,或者只能用一部分,甚至全部用手工来操作的尴尬状况,所以我报的第一志愿就是自动化,初衷就是学了知识来化解工厂这种设备故障、手工代替的尴尬局面。

另一个志愿则与我的父亲有关系,父亲在文化大革命中被批斗,颈椎受伤,造成了脑死亡,从那时起,我父亲基本上没离开过病床。我想通过自己的学习研究来医治父亲,但让我愧疚终生的是,后来我在美国求学时父亲就过世了,父亲去世时,由于当时通信不好,母亲给我写了一封信,在国际上延转了大半年,才到我这里,我记得,那个学期我的成绩拿了B和C,而那是我大学、硕士、博士、博士后一路走来的求学生涯中,唯一没拿A的成绩。

大学毕业后,1982年,27岁的我踏上了海外求学之路,到美国马里兰大学机器人设计与控制专业攻读硕士研究生,虽然当时全球的机器人研究都在摸索阶段,但自动化与机器人本就是一体,所以我对机器人的兴趣也非常浓厚。我记得那年临走时,躺在病床上的父亲,已经没法说话,只是呵呵笑地看着我,他的思维是清晰的,他在为我高兴。9月1日那天我到达美国的纽约大使馆,我还记得有个小波折,到那里第一天,就有同伴的行李被盗了。后来才知道,当时纽约大使馆所在的街区治安不太好。

在马里兰硕士、博士的机器人课题研究过程中,我发现机器人的动作非常僵硬,不能像人或牛、羊、马等动物一样自如地做动作,而这显然涉及到生物医学领域,我决定在继续手头的项目研究和课程学习的空档里,自学生物力学和神经医学等方面的知识,同时,为大学没成行的志愿弥补遗憾。

为此,我常常与实验动物相伴,研究猫、狗、牛、羊、马等动物,如何通过生物力学和神经控制达到跑跳的稳定性,反过来将知识应用到机器人设计过程中,从此开启了我将机器人和生物神经控制相结合的科研道路。

那时,生活比较清苦。我记得做研究生时,奖学金并不高,一个月250美元,每天吃一顿麦当劳都不够,幸好当时美国鸡肉和鸡蛋便宜,那时曾有过买一只鸡炖了后,吃一星期的经历,水果和蔬菜也是偶尔买点。当时的想法其实非常简单,就是一定要做好。

一般早晨8点左右我必然赶到实验室,做实验直到中午,匆匆回家吃饭,吃完饭再赶回实验室,直至凌晨一两点钟,通宵达旦的情况也经常发生。我做实验的时间习惯也从那时养成的。

从自动化到机器人,到机器人和神经控制相结合,再到如今的神经智能与人工智能相融合的轨迹,这就如一座大森林,实际上完全是边研究边应用,不断弥补未知,一步步走出来的,走到了森林的深处,方向也越来越清晰。

方向

在马里兰大学五年,获得了硕士和Ph. D博士学位,经过自学我的生物医学知识突飞猛进,我的博士毕业论文就是,利用优化控制原理去研究神经系统的功能与结构问题。紧接着,1989年至1991年,我又攻读了麻省理工学院和哈佛联合培养的博士后,一读又是三年。

那时,我一边在麻省理工学院人工智能研究所行走机器人实验室做研究,导师就是大家熟知的大狗机器人缔造者MarcRaibert,他是现在波士顿动力公司的创始人。一边在哈佛的生物力学实验室做研究,导师是生物力学领域著名的Tom Markman,我在两个实验室之间类似于“桥梁”,因为做运动机器人与生物控制相结合,如何将人类或动物的跑步跳跃原理,运用到机器人身上。

彼时,麻省理工学院行走机器人实验室有三个人,由于机器人要大力蹦跳等,我们买了美国人家里车库开门的弹簧,还有马、羊等生物,在地下室做实验,也研究太空中失重或减重情况下,机器人如何行走,并且拍了照片,我们白天做实验,晚上就在实验室根据照片测算,由于当时没有相应工具,只能靠标尺一点点量,数标尺上的点,经常一数就是一个通宵,出了实验室,眼睛都是花的,头也很眩晕。

在博士后期间,我上述的那篇博士论文发表了,一位费城医学院的外科医生看到后,认为我对应用先进控制理论探讨神经系统结构和工作原理有开创性贡献,亲自到波士顿来找我,邀请我到他所在的医学院工作,我思考再三便同意了,1991年至1994年的四年里,我在这个医学院工作,同时,我还跟普林斯顿大学的人工智能实验室有合作,仍然坚持将神经控制与人工智能相结合,在普林斯顿实验室,我们用人工肌肉来控制机器人,这是我一直以来比较感兴趣的,也跟我后来做的人工肌肉、神经学研究有着极大的渊源。

为了更好地做研究,1995年,我到了亚利桑那州立大学当生物工程教授,创立了美国亚利桑那州立大学神经联接与脑控制研究中心……

在美国33年左右的求学科研道路,我获得了8项美国专利,发表论文200多篇,主要在柔性微电极、猕猴功能运动训练、神经元群体的多通道实时记录和分析、运动和传感信息编码、康复机器人的研发和控制等相关领域。

归纳起来,在美国大致有三项标志性成果,包括做了用脊髓外电刺激帮助脊椎损伤病人站立行走;做了可穿戴的外骨骼式的康复机器人为中风病人恢复手臂功能;把先进控制理论应用于神经系统结构的研究。

之前少有将机器人与生物神经医学融合的好的案例,这些带给我很大荣誉的同时,也带来了国际知名的合作伙伴,在我看来,他们愿意和我合作一起做点事,让我感到,毕生的研究方向是对的。

随着我国老龄化加剧等因素,中风后偏瘫、癫痫以及心里疾病发病率飙升,我认为,我有必要在美国学习科研的经验与成果带回国,为新一代的创新培养人才和建立基础。特别是新兴交叉学科的发展和推动。所以在2010年,我全职回到中国。

神经接口与神经康复是我目前的研究重点,通过对人和动物神经活动模式的分析,提取出与运动意识相对应的神经信息,再通过人工构建的接口与机械系统相联系,实现机器的自动化运作。比如,人用手拿一个杯子时,会根据玻璃杯还是纸杯,热水还是凉水,大脑迅速做出指示,自然流畅、用力合适地把杯子拿起来,放在嘴边。这便是需要把神经智能和人工智能结合在机器人身上的关键因素。

因中风而瘫痪的病人可以通过意念控制康复机器人辅助自己进行康复训练,假肢里的传感器可以和人的脑神经相接,人脑发出的指令假肢可以迅速领会并做出自然流畅的动作。

这需要机器人、人工智能和神经医学等多领域的人才,我目前的团队在初创阶段,不过我在尽力寻觅这几方面的人才,汇聚在我的团队里,现在已经有神经医学方面的教授加入进来。

我的办公室墙上挂着的那两张脑部结构图,是我专门从美国带回来的,我之所以如此重视神经医学,是我们三四年前在这方面走过弯路。做神经智能与人工智能相结合的机器人,需要培育神经,但当时培育的神经信号传导非常不好,我当时责怪学生,但后来经过看文献做检测,发现神经做完后,并未做神经外边的一层保护曾即髓鞘作用,这个是神经形成后才发育的,我们没有注意这些,这是我们的医学知识欠缺造成的。

我们走在探索未知的路上,我认为,生物神经控制与脑认知的技术,它的应用将会带给有这方面疾病的人新生,不亚于一场脑认知的救赎。

(本报记者冯庆艳采访整理)

相关链接:何际平,国家千人计划专家,北京理工大学教授,曾为美国亚利桑那州立大学生物工程系教授、神经联接与脑控制研究中心主任、教研结合培训博士实验中心主任、IEEE senior member、华中科技大学控制科学与工程系引进的“千人计划”教授,被列入科技与工程名人录、健康与医学名人录和美国名人录。