最新前沿动态：人工触觉+意念控制、虚拟记忆植入、第一架量子计算机桥、芯片级原子钟

点击：  作者：知了    来源：战略前沿技术  发布时间:2016-10-17 11:55:23

         

 

      美国国防部高级研究计划局（DARPA）刚刚取得一项突破性研发成果，利用大脑植入体让一名瘫痪者恢复了触觉。

 

 

       DAPRA的这项研究成果具有革命性意义，它给一位名叫内森·库伯兰德（Nathan Copeland）的瘫痪者植入了一组可以收发信息的大脑植入体，库伯兰德可以通过这个大脑植入体控制机械臂做出一些动作。比如给自己喂一块巧克力。

 

 

      2004年的一场车祸让库伯兰德胸部以下全部瘫痪，瘫痪了将近十年的他自愿参加了DARPA进行的一场临床试验。正是这场试验让他重新有了触摸的感觉，他说这就好像他自己的手摸到了东西一样。

 

       为了让库伯兰德有这种触觉，匹茨堡大学的DARPA研究员在库伯兰德大脑中负责处理运动功能和手指和手掌的感觉的区域植入了四个微电极阵列，然后将它们跟机械臂相连。测试结果表明，精确度几乎达到了百分之百。

 

 

       DARPA生物技术办公室主任贾斯汀·桑切斯博士（Dr. Justin Sanchez）在声明中表示：“在试验中，研发团队决定在不告诉库伯兰德的情况下按动他的两根手指而不是一根，结果他马上就感觉出来了，他问是否有人想捉弄他。当时我们已经知道，他通过机械手获得的感觉是非常接近自然的。”

 

 

       这只是DARPA 2006年启动的“假肢革新计划”（Revolutionizing Prosthetics）取得的众多成果中的一个。DARPA以前展示过一款超级强大的假肢，不管从外观、感觉还是动作上来看，它都跟真正的手臂一模一样。

 

 

       DARPA预计在2019年使美国FDA组织通过这种手术的合法化。

 

 

虚假记忆植入你愿意接受吗？

人类个性将变不真实

 

 

      回想一件对你起了塑造作用的事件，然后扪心自问：这件事真的发生过吗？

 

 

      有些受试者被告知自己童年时曾因为吃了变质的桃子酸奶而生病，他们在测试中就更可能会避开桃子酸奶。

　　

       据国外媒体报道，请你回忆一下童年时期的经历，从中选一件对你来说十分重要的事情——一件把你塑造得更加出色的事件，对今天的你产生了巨大的影响。然后请你扪心自问，你确定这件事真的发生过吗？

 

       假设一下，如果有些人处于好意，故意把一段生动的、伪造出来的回忆植入了你的脑海中，希望这段回忆能使你变成一个更好的人。你发现了这个事实之后，又会作何感想呢？也许你会备受感动，因为有人如此关心你，给了你这么一份足以改变人生的“大礼”；但你也许会怒火中烧，因为有人居然没有征得你的同意，就给你洗了脑。

　　

       这听上去有点像科幻小说中的情节，但它其实并不像乍看上去那样荒谬——至少从理论上来说是这样。早在几十年前，就已经有研究记忆的科学家发现，我们对过往经历的回忆其实并不准确，有时我们甚至会完整地记得某件从未发生过的事情。这些假回忆有可能是自己产生的，但更可能是因为有人在你的脑海中埋下了一颗“假种子”，每次我们回想这件事，都会为它添加更多的细节。

　　

       重要的是，我们知道就像回忆真实事件一样，假回忆也可能会对我们的行为产生影响。在一次实验中，一组受试者被告知，他们回答的问卷结果被录入了一套计算机算法中，可以判断出各种的童年经历发生过的可能性。一部分受试者被告知，从他们的问卷结果来看，他们童年时期曾经因为吃了变质的桃子酸奶而生过病（其实并没有发生过这样的事）。而另一组成人受试者并没有被告知这一事件。

　　

       两周之后，两组受试者都参加了一次味觉测验，品尝不同食物的样品。此次研究似乎与上一次毫无关系。结果研究人员发现，两组受试者吃掉的食物数量都差不多，只是上述的第一组受试者吃掉的桃子酸奶比另一组少了25%。这些人纷纷表示，他们可以回忆起那次“生病”的经历。简单来说，要是有人想故意在你脑海中植入一段假回忆，从理论上来说其实并没有那么难以实现，而且恰当的假回忆还能对你的人生产生积极的影响。受到此类实验的启发，有些研究人员还想更进一步，发明所谓的“假记忆节食法”。

　　

       我们能否通过植入“有益”的假记忆来解决肥胖问题呢？或者改善各种各样的健康问题呢？就算这样的发明从理论上来说是可以实现的，问题是，它在道德上到底正不正当呢？当然，已经有人尝试过这些手段了。在过去几十年间，有些心理治疗师在自己记录的案例中宣称，他们通过操控病人的记忆，解决了病人的精神问题。我们必须思考这样的干预疗法究竟是否正当。

　　

       在一项由英国维康基金会（Wellcome Trust）赞助的最新研究中，科学家向来自英国和美国的约一千名观众介绍了一种虚构的“假回忆疗法”。他们要求观众想象一名超重的患者寻求专业帮助时的情景。治疗师在这名患者不知情的情况下， 向患者的脑海中植入了虚构出来的童年回忆，试图改变该患者对高脂食物的偏爱。但一直到治疗完成的数月之后，治疗师才揭露了这场骗局的真相。研究人员的问题是：你们能接受这种疗法吗？

　　

       而人们给出的答案也五花八门。虽然有41%的人表示无法接受这种疗法，但还有48%的人称可以接受这种疗法。此外，只有四分之一的人认为这种疗法是完全不符合道德的，当他们得知竟然有十分之一的人认为它完全符合道德时，他们感到非常惊恐。还有许多人似乎认为，只要这样做对患者有利，他们就不反对故意操纵患者的记忆。

　　

       这些发现可以说十分惊人，但在2011年，一项分析人们对所谓的“记忆抑制药物”态度的研究也得到了类似的结果。在那次研究中，约有一半的人表示，如果他们遭遇了一次严重的创伤，他们会希望自己可以拿到一剂药，减轻痛苦的回忆。而今年7月发表的另一项调查显示，有23%的美国成人认为，为了增强认知能力、向健康人的大脑中通过手术植入设备在道德上是可以接受的。顺带说一句，有34%的人表示，他们希望给自己植入这样的设备，这个比例比前一个问题还要高。

　　

       那么，人们对这个问题的反应为什么会有这样大的差别呢？研究人员为了更进一步，要求200名受试者详细谈谈自己对“假回忆疗法”的看法。支持者认为，帮助患者恢复健康比什么都重要，有些人甚至希望自己也接受这样的疗法，或将它介绍给自己的亲朋好友。而反对者认为，这样的疗法比现在的健康干预手段好不到哪里去。有一名美国人这样写道：“我不认为这是个问题……毕竟，很多疗法都需要服药或做手术，这些都得把真正的异物放进身体里。有时这些东西并不一定能起效，反而会弊大于利。因此，把假记忆植入某人的脑海中似乎并不会造成什么伤害。”

　　

       反对者的原因则更加多样。有些人认为这种做法很不道德，还有些人担心这种干预措施最终会被用来做坏事。一名英国女性写道：“这太危险了。我能想到的第一个用途，就是让同性恋相信自己‘应该’是异性恋。执政党还可能会用这种方法为自己赢得选票。现在谈这些似乎还为时过早，但一旦人们掌握了这种能力，也许就不是这么回事了。”

　　

       但对很多人而言，假记忆的植入剥夺了我们的自由意志和真实性——我们的个性不再是真实的，我们做出的人生决策也不再是自己所有的——这才是最令人不安的地方。相信大家都对此深有同感。

 

 

      有些人担心，假记忆的植入会剥夺我们的自由意志和真实性。

 

 

 

       如果我们能通过植入“有益”的假记忆来解决肥胖问题的话，那将是一条大新闻。

　

       未来究竟会如何呢？如果记忆修改疗法可以实现、并且很多人都乐于接受它的话，也许我们就得好好问问自己，我们究竟希望自己与回忆之间的关系是什么样的。而就算这一天永远不会到来，对这一道德问题的思考也许也能让我们意识到，回忆是我们最为珍贵的资产之一。不过，假回忆或许也可以同样宝贵吧。

 

Sandia国家实验室联手哈佛大学打造

世界上第一架量子计算机桥

 

       通过在金刚石基体中强力嵌入两个硅原子，Sandia 实验室的研究人员首次展示了用于建立一架连接量子计算机的一个单一芯片所需要的所有部件。相关论文发表在最新的《科学》杂志上。

 

     「有人已经建立了小型的量子计算机」Sandia 的研究员 Ryan Camacho 说，「但是第一台实用性的量子计算机或许不是大型的那种，而是由许多小型机连在一起的量子计算集群」

 

     这张量子桥图展示了金刚石中的一系列孔，孔与孔之间嵌有两个硅原子。

 

      在一架桥或一个网络上分布量子信息也可以形成全新的量子传感形式，因为量子

 

      关联允许网络中所有的原子表现出貌似只有单个原子的状态。

 

       这项与哈佛大学合作的成果使用了一个聚焦离子束注入机（focused ion beam implanter），它由 Sandia实验室 下的离子束实验室设计，用于保证金刚石基板上的单离子爆破在精确位置。Sandia 的研究员 Ed Bielejec、 Jose Pacheco 与 Daniel Perry 使用注入的方式将金刚石的一个碳原子替换成较大的硅原子，挤压任意一边上两个碳原子，让它们逃离。这使得硅原子占有大部分空间，通过邻近的非导电空缺来缓冲杂散电流。

 

      即便这些硅原子被嵌入金刚石，它们的行为还是像在空气中漂浮一般，因此它们的电子对量子刺激的反应就不会被其他不需要的物质所笼罩。

 

     「我们完成的是将硅原子精准放进我们想要的位置点，」Camacho 说。「我们可以创造出数千个注入点，都能产生出能够工作的量子设备，因为我们将原子很好 注入了金刚石基板表面之下，并将它们就地退火。在此之前，研究员们必须在几微米的金刚石基板上从大约 1000 个随机出现的缺陷中搜到发射原子（emitter atoms）——非碳原子——哪怕是仅仅一个发射足够强的，能在单光子水平上是有用。」

 

       一旦这些硅原子被放置到金刚石基板中，激光产生的光子就会碰撞出硅电子，进入下一个更高的原子能状态；当电子返回到较低的能量状态时，因为所有的东西都寻求尽可能低的能量水平，他们喷出携带信息的并按照它们的频率、密度和波的偏振来量化的光子。

 

     「哈佛大学研究员做了这个实验，同时也做了光学和量子的测量，」Camacho 说。「我们造出了这个全新的设备，并用聪明的办法精确计算出有多少离子注入了金刚石基板。」

 

       Sandia 的研究员 John Abraham 及其同事开发出的特殊的探测器——金刚石基板上的金属薄膜，展示了通过测量单离子产生的电离信号成功实现了离子束注入。

 

       论文：一个集成的金刚石纳米量子光学网络平台（ An integrated diamond nanophotonics platform for quantum optical networks）

 

 

       摘要：光子和量子发射器（quantum emitters）之间的有效接口构成了量子网络的基础，也使得在单光子水平上的光学非线性成为可能。我们展示了一个集成平台，基于硅空位 （silicon-vacancy，SiV） 色心的可扩展量子纳米光子学耦合金刚石纳米元件。通过取代金刚石光子晶体洞中的 SiV 中心，我们实现了通过单色心控制量子光学开关。我们使用 SiV 亚稳态（metastable state）控制该开关，并在单光子水平上观察光学开关。拉曼跃迁（Raman transitions ）被用来实现在金刚石波导中的可调频率和带宽的单光子源。通过测量难辨别的拉曼光子排放到单波导的强度相关性，我们观测超辐射发射两个纠缠 SiV 色心带来的量子干涉效果。

 

美国陆军将展开芯片级原子钟研发

 

       美国陆军计划制定者称，他们最小的授时器已准备好迎来巨大发展。体积不超过一块方糖的芯片级原子钟（CSAC）将赋予未来作战人员新型战术优势。

 

       美陆军通信电子研发与工程中心（CERDEC）定位导航与授时（PNT）部首席工程师保罗·奥尔森说，“简而言之两个词：持续作战。作战中，可能被破坏，应该有能力继续作战。无线电台继续工作，网络继续工作，电子战作战也将继续工作。”

 

       这些问题本质上都是授时功能：无线电台和网络，部分依赖于嵌入于GPS信号的超精密时间测量。一旦GPS受到敌方破坏，或者由于天气或地形问题信号消失，这些功能会失效。

 

       过去，原子钟帮助军方应对GPS信号损失做了很多工作，但是原子钟已经变成了笨重的设备——外形大、机架式安装设备重达50~60磅（约22~27千克），且耗能很多。芯片级原子钟将提供一个微小型的改变方案：芯片尺寸约15立方厘米，耗能较少，在进入大规模生产阶段成本低于500美元。虽然这一微型原子钟还未能研发出来，但陆军通信电子研发与工程中心正在推进其发展。

 

       通信电子研发与工程中心在2002年首次与美国防先期研究计划局（DARPA）组成团队，共同开发微型时钟用于武器、武器系统以及徒步士兵。2010年，随着原型成功研制出来，“芯片级原子钟”项目工作迁移至美国陆军制造技术（ManTech）办公室，由美国陆军研究与技术副部长负责（DASA-R&T）。

 

       2013年，“芯片级原子钟”项目再次取得进展，向PM PNT传送了时间，管理者称，他们已开展PM PNT的积极探索，且可能会致使该设备在2022年左右被购置，用于上车和下车系统中。PNT集成系统部门负责人约翰·戴尔·科里安诺称，“这种技术已经存在，我们将在接下来几年内看到项目中的设计。”

 

       尽管这些应用的本质仍在讨论中，但“芯片级原子钟”可能会对任何依赖精确授时的不同作战范围产生影响。时钟可以帮助士兵更好地利用干扰器，例如可以防止无线电控制简易起爆装置免受爆炸，还可以帮助保持无人驾驶飞机在GPS信号中断的高空中保持飞行。

 

       PNT高级研究电子工程师金永基指出，早期海军陆战队将芯片级原子钟应用于反无线电控制简易爆炸装置电子战（CREW）系统中，进行了测试。这些大功率、模块化、多频段的射频干扰器用来阻止敌人使用选定的无线频谱部分。像大多数电子战技术一样，反无线电控制简易爆炸装置电子战系统依赖于精确的授时。

 

       研究人员还在研究芯片级原子钟可行的航海实施方案，预想将原子钟用于GPS不起作用的深水环境中，增强水下声呐和定位能力。

 

       尽管目前芯片级原子钟的能力只经过了实验室验证和有限的现场测试，研究人员还希望驱动其他增强能力，甚至考虑通过采购开发潜在应用。他们正在探究更好的管理降噪、使芯片不易受极限天气等环境因素的影响。

 

       未来，研究人员将会把芯片级时钟嵌入GPS设备中，这将是使时间在战场环境下独立应用可靠性更高的进步。