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《流浪地球》科学顾问自述：在电影里探索如何实现人类的数字永生

2023/01/28
导读
责编|张天祁 李珊珊 某场影片成果vs真实场景，大家猜猜我们标记的是什么？ 受剧组邀约，今天这篇文章尝试向大家分享我们（流浪地球2科学顾问团队人工智能组的同事们）在《流浪地球2》中对脑机接口和数字生命等科学议题的思考和推理，当然受限于个人水平和剧情原因，我们的工作和思考可能存在不足，希望大家见谅。
1.28
知识分子
The Intellectual

 导  读



在我们构建的《流浪地球》中， “数字化人类”的载体并不仅仅是一个存储器。在电影中，它由两部分组成：记忆存储部分和思维存算部分。参与者需要较长期佩戴非侵入式脑机接口设备，通过脑电波变化来记录思维与神经元连接生灭之间的相关规律；再通过短期的大脑结构快照来记录现有大脑的神经元连接结构，从而复制记忆，利用上述两点获得的数据才能完成全脑仿真。


作者|崔原豪

责编|张天祁 李珊珊


●                  　●                   　●
如果把漫长的地球历史看做一部时长12小时的舞台剧，主角是天空、海洋和大地，那么生命的粉墨登场只占最后15分钟，甚至直到这熙熙攘攘的舞台闭幕前0.2秒，人类文明才姗姗来迟。

曾经有位朋友问我，“为什么人类文明和科技可以在这么短的时间里如此灿烂辉煌？”我回答：“因为人类拥有无与伦比的好奇心和前所未有的想象力。前者让我们脚踏实地，发现规律，后者让我们仰望星空，梦想未知”。

《流浪地球2》科学顾问工作接近尾声，转头一想，这句话或许就是对我正在从事的科学研究和所参与的科幻电影制作的准确描述。正如在这样的大地上，我们敬畏知识，所以披荆斩棘，审慎前行；在这样的天空里，我们憧憬未来，所以沐浴阳光，展翅翱翔。

这段科学顾问的旅程，对我（以及大部分科学顾问）而言，是一整个“造梦”工作：我们可以随意展开科学畅想而不用去设计实验验证，这让整个工作变成一件很“爽”且“刺激”的事。因为除此之外，或许没有更多途径可以让科研工作者去影响几亿经费燃烧出来的“梦境”，去“见证”一个自己推测中的近未来世界了。

接触科学顾问这份挺有意思的职业或许来自某种缘分。2020年，我在厦门参加IEEE/CIC国际通信大会等待演讲，突然接到计算所王元卓老师的电话，问有个影视项目愿不愿意参加，可以借此机会做一些科普工作。科普一直是我的爱好，同意之后发现原来是《流浪地球》剧组，这就是所有故事的开始。

在这将近2年时间里，作为科学顾问而言，我的工作主要有两方面：

一个是创造世界观，电影是艺术创造，科幻电影需要创造一个可信、自洽、栩栩如生且让人沉迷的未来世界作为剧情基础。我自己的工作方式是尽量遵循“What if - How to”框架，即从现实的科学知识出发，推测核心幻想下某件事的可能运作方式，让世界细节经得起推敲，《流浪地球2》的时间线几乎和现实时间线重合，这部分要更加小心谨慎。

另一个是遵守“科学底限”原则，尽量保证电影本身不因大幅度违背公众科学常识而导致世界失真；但为了兼顾故事性，可能存在一些科学和艺术上的平衡和取舍。这部分会在电影上映之后再做概述，供后续从事科学顾问工作的同行参考。

某场影片成果vs真实场景，大家猜猜我们标记的是什么？


受剧组邀约，今天这篇文章尝试向大家分享我们（流浪地球2科学顾问团队人工智能组的同事们）在《流浪地球2》中对脑机接口和数字生命等科学议题的思考和推理，当然受限于个人水平和剧情原因，我们的工作和思考可能存在不足，希望大家见谅。


从作为人类备选自救计划之一的“数字生命计划”，到数字世界架构师图恒宇把自己车祸受伤的女儿图丫丫进行了数字化……《流浪地球》中相当多的情节都提到了数字化人类（或其他人提到的意识上传），从而实现数字永生，这显然和“数字生命计划”有非常直接的关联。


那么其中几个核心概念，“数字永生”、“意识上传”和“脑机接口”，我们在电影制作时是如何考虑的？我们又是怎么推测一个人类的“数字化实现框架”的？

1

大脑中的电信号


[起航之前预告]印度小哥在意识上传实验开始前：“人，本质上是一堆电信号”。


这种说法是剧情需要，现实世界里有些绝对，不过关于人和电信号的问题，或许我们应该从二十世纪初开始说起。

自从1920年德国精神科医生Hans Berger博士[1]用大脑头皮上的贴片电极成功测量人类“脑电图”以来，科学界就猜测脑电波是一种可用于大脑直接对外/对内交流的信息载体，此后关于脑电控制/脑波暗示等的科幻/游戏创作一直不绝如缕，比如《命令与征服：红色警戒2》里就有一种叫做“尤里”的作战单位，可以通过操纵脑电波实现对其他单位的精神控制。但在当时，没有人想要把这些狂妄的想法变成现实。

这种情况延续到1970年，科学界逐渐认识到，人类脑电波中某些可观测部分可以反映大脑状态[2]。比如医院里，脑电图仪通过观测alpha波（alpha wave）来辅助医生完成脑部疾病诊断。更有甚者，在大脑产生动作意识后，部分脑电波会随之产生变化。当时的科学家认为，如果能够捕捉到这些变化的电信号，或许就能还原出受到刺激时的大脑 “意识”。后来第三代脑波测谎仪就由此而生：当受到小概率事件刺激（比如正在编造谎言）后，300ms-1000ms左右可以观测到正向脑电波波峰（即P300波），以此可判断被试者是否说谎。

著名科幻概念“意识上传”，其实是此现象的反向利用，即对脑电信号/人脑结构的完全观测是否能还原人类意识本身？我不太想在这一节回答这个半科学半哲学命题，这里只给大家留下个小悬念。但毫无疑问，1970年起，科学界已清楚知道大脑电信号与人类意识之间必然存在关联，并为总结这些关联付出了大量实践。

通过脑机接口对电脑输入字符

既然已知存在联系， 那我们能否利用某种脑电波来直接控制人体外部设备？比如假肢或者电脑？

这是脑机接口的核心科学问题，原文来自加州大学洛杉矶分校Jacques J. Vidal教授在1973年发表的开创性论文[3]。Vidal教授此人是一个传奇，他当过电气工程师，做过空军飞行员，后来还是回归高校，穿上西装拿起教鞭，最后开始研究脑科学，在加州大学洛杉矶分校脑科学研究所研究哺乳动物前庭系统。在成为一名独立研究者后，他很快就接到了美国国防部资助的人机通信项目（Brain-Computer Communication），这也是1973年这篇论文的来源。

1973年，Vidal教授在《Toward Direct Brain-Computer Communication》一文中首次提出了“脑机接口” 这个术语

在这篇论文里，他十分笃信自己的预言：“即使仅以当时计算机科学和神经生理学的现状为基础， 也预示着这样的壮举可能即将来临”。要知道，当年计算机才刚刚兴起，雅达利公司还只是个1岁的新生婴儿，距离《吃豆人》诞生还有7年时间；而就在三年前（1970年），26岁的Ken Thompson刚刚在一台破旧的PDP-7上开启UNIX纪元。他不会意识到，仅仅13年后，他将因此获得图灵奖（注：UNIX纪元是苹果的OS X等类UNIX操作系统和JAVA等主流编程语言的时间起点）。

即使此后相当长一段时间内，脑机接口都没有取得明显科学进展，甚至在当时被认为是某种“科学幻想”，我们也不得不佩服Vidal教授对神经科学和计算科学的洞察和远见：因为在50年后的今天，“脑机接口”已成了科技领域无人不知的技术趋势之一，甚至已经成为了某种“科技时尚”。

2

脑机接口：当梦想照进现实

看这个人参与数字生命实验，研究经费充足，你看他笑的多开心，我也想这样


[起航之前预告] 印度数字生命研究所，志愿者头戴脑电帽躺在数字生命实验床上，表情轻松，可见对即将进行的数字生命实验并没有什么担心。


自从计算机诞生以来，从键盘鼠标到触控语音，人类和计算机的沟通交流正在变得越来越便捷。脑机接口可以直接建立大脑和机器之间的信息通路，就变成了人类梦寐以求的最便捷的人机交互方式，或许没有之一。

其实在了解 “数字化人类”的核心概念时，我们就认真思考过脑机接口的具体呈现形式。早期讨论中，曾有两种方案：“侵入式脑机接口”，即通过探针直接采集/刺激大脑皮层电信号，通俗的视觉呈现就是脑后插管，为了植入电极一般需要开个真的“脑洞”；另一种就是大家现在看到的“非侵入式脑机接口”，即通过电极贴片采样头皮脑电（Electroencephalogram，EEG），一般通过头戴脑电帽或者头盔实现。《阿凡达》里有比较直观的对比，人类进入阿凡达用的是非侵入式脑机接口，而阿凡达连接灵魂树，可以类比为侵入式脑机接口。

在现实里，因为可直接接触大脑皮层，前者通常更准确、可传输的数据量更大、未来真正实现的可能性也更高，但是考虑视觉、道德（脑后插管有点过于邪恶了）和数字生命计划可能的普适性问题（在近代做这种手术实在不太可能获得那么多簇拥），最后选择了非侵入式方案，不然这位躺下的小哥可能已经被脑后插管，不会笑的那么轻松了。


实际上，非侵入式脑机接口也正是民用领域和早期脑机接口研究的主流解决方案。如果把1970-1980年间的脑机接口叫做“科学幻想”，那么在1980-2000年间，“科学幻想”正因为非侵入式脑机接口的突破而逐渐变为“科学论证”：1988年左右，科学家们利用P300脑电波实现了一个意念单词拼写器[4]，同期利用Alpha脑电波实现了意念机器人控制[5]。另一方面，侵入式脑机接口在2000年后才有所进展，但是因为干扰小，获得的脑电信号强，可以一次性在小范围内采集多个神经元信号，此后发展迅速。目前在瘫痪病人身上已经展现了非常强大的医疗辅助效果，比如瘫痪病人已经可以通过意识操作机械臂（但是造价非常昂贵）。

其实当时讨论脑机接口呈现并没有花费过多时间，它很快就取得了共识。我们在内部交流更多的是要不要去展现更加细节的脑机接口实验，比如要不要把输入式脑机接口（就是机器对大脑输入指令），和输出式脑机接口（反过来，大脑影响机器）分开；或者把不同感官（触觉、听觉、视觉）的脑电信号不同之处呈现出来。最后发现，没有必要在非核心部分过多考虑，所以电影最后呈现的应该是一台非常强大的“交互式”设备—它输入输出都可以，并且融合了其他功能。

3

意识上传，数字永生？


[起航之前预告] 印度数字生命研究所，印度小哥说“你对世界的感知，你的记忆，都可以通过这条线存到这……”，然后指向被试者连接的仪器。


[图恒宇预告] 图恒宇看着躺在床上，一身信号线的图丫丫，一脸沉重。


自古以来，生死永远是人世间最难解的悲情，为此无数人曾向往甚至试图尝试永生。古代，前有秦皇遣徐福仙岛问药，后有汉武筑高台接仙露。现代，人们对永生的向往也随着云计算、人工智能的发展而改变，《黑镜》《万神殿》《超脸骇客》等等科幻作品都曾经深入思考如何实现数字世界的永生/或者重生。

总结起来，数字永生有两种主要思路：一种可能是用生前的相关互联网资料完成“数字重生”或制作 “数字化身”，这也是目前现实世界“数字人类”的主要实现方式。目前这种“数字人类”拟真程度距离真正人类相去甚远。

另一种可能是把人的心智“数字化”后转移到不同“载体”上（比如更高级的电脑），如果载体足够耐用，能量充足，那么技术上人类就可以永生在数字世界。我们认为后者显然更适合影片背景，那么问题就来到了下一个：“心智”和“身体”又是什么关系？

这是一个古老的问题。在亚里士多德之前，古希腊哲学家就开始思考心灵和身体的关系，即“心身问题”，至此已有两千多年。心身问题主要体现为笛卡尔二元论的困惑：他认为每个人都由身体和心灵两种不同实体组成；身体与心灵可分离、独立存在、可以相互作用，心灵无实体。

20 世纪中期，这种观念随着科学的发展产生了一些进展。一些神经科学家认为，意识蕴含在大脑的信息处理中，它实质是大规模神经元集群产生的“涌现”现象，根据这一猜想，他们把心智比喻成软件程序，其运行在一个称为大脑的硬件上。

细心的读者可以看出来，这是“意识上传”这个科幻概念的哲学基础，也是影片中“数字生命计划”的灵感来源。在过往科幻作品里，比如《万神殿》里提到的“上载智能”，认为对人类大脑的神经连接进行分子级别的结构快照就可以把思维、意识、情感上传到云端，这是一种比较典型的符合笛卡尔观点的“数字化人类实现框架”。

现代科学却认为笛卡尔的观点并不完备[6]。心智与大脑不仅是软件和硬件的关系，大脑神经连接分布的静态快照已经不足以记录人的思维和意识。

虽然心智毋庸置疑源自大脑，但大脑往往通过重组神经元之间的连接（即神经突触）来存储信息，产生记忆。而行为意识，也很可能源自大脑各神经元之间、各皮层区域之间的相互作用[7]。某种程度上，人脑形成新记忆和新意识的过程，会导致神经突触的生成、断开或强度改变，对外反映为脑电波变化。


根据上述分析，我们推测，记忆、行为（或者某种意义上，心智）与大脑神经突触的变化存在联系，即“心身其实存在部分相关性”。单纯的短时大脑结构快照并不一定能完全还原心智。人的意识活动不仅仅源自大脑神经的连接形态，同样会体现在神经元连接的生灭之中，所以需要记录相关神经活动规律，才有望实现意识还原。

基于改善笛卡尔二元论的数字化人类实现框架（笑，脑洞误纠）


至此，我们对“数字化”一个人类的神经生物学和哲学思考已经结束。如果从现实世界作为起点，我们只需要做出一些重要假设，就可以回答“如何制作一个数字化人类”这个初始问题。这些假设包括：

  1. 完全准确的大脑结构快照可以通过记录神经元连接来存储已有记忆；

  2. 完美的脑机接口可以实现与被试大脑的长期脑波交互，记录各种意识活动对应的大脑活动模式；

  3. 全脑仿真可以顺利完成思维拟合，进而重建意识；

  4. 不论定性还是定量上看，重建意识都与原有意识完全相同。

如果上述假设都满足，我们才可以说人类的意识是可以被上传或者被复制的。请注意，在这里我并不想试图讨论数字人类的唯一性问题，这部分留给后续文章说明。
影片里呈现的“人类数字化”流程在我们眼前就逐渐清晰。比较学术的概括，我们提出的“数字化人类”一般性框架应该是：

  • 被试者有必要较长期佩戴非侵入式脑机接口设备，通过脑电波变化来记录思维与神经元连接生灭之间的相关规律；

  • 通过短期的大脑结构快照，来记录现有大脑的神经元连接结构，从而复制记忆；

  • 利用这些上述两点获得的数据完成全脑仿真；

  • 在此过程中不断与被试大脑脑波交互，确保全脑仿真和原本大脑的判断方式相同，就是“心智不变”。

这一整套流程的输出结果，就是一个科幻意义上的、具有思维和意识的“数字化人类”，就是影片中印度小哥那套机器的功能了（虽然好像电影里不会出现很长时间）。
4

数字生命备份卡，

只是一个存储器吗？


图恒宇一脸深情的看着手里的数字生命备份卡

[起航之前预告] 图恒宇把图丫丫的数字生命备份卡插入某个仪器中，这仿佛是2个U盘绑在一起组成。


[图恒宇预告] 图恒宇一脸深情的看着手里图丫丫的数字生命备份卡，把它插入某个仪器中，下一帧“我要给她完整的一生”。


在过往电影作品中，心身分离的视觉呈现不是什么新鲜事。比如奇幻或者神话电影里，灵魂出窍、灵魂附体往往只需要表现为一个虚幻的人影套进真实角色中。但即使这些电影里灵魂可以迁移，编剧也大概率不会把人的灵魂附着在树上，然后还让树活蹦乱跳。因为这种行为违反了我们对树的常识认知，会让剧情不合理。

对科幻电影来说更是如此，心身相关情况下“数字化人类”后，人的数据载体应该怎么组成才是符合科学推理的？相信很多朋友都已经在起航之前、图恒宇和MOSS预告里看到了最后的视觉结果：这是仿佛2个U盘绑在一起的小型电子设备，它被插入机器之后，其中一端会亮起红灯。但，它真的是一个简单的存储设备吗？

数字生命备份卡，预告片里出现了不止一次，甚至可以说占了很大篇幅

不是，至少不完全是。

正如之前所说，我们认为心身相关，单纯的大脑结构存储并不一定能完美还原意识。在此基础上，还需要通过与大脑交互来记录思维过程中的大脑活动，并据此数据用代码重现神经元的生灭规律（这里我们假设整体拟合过程是完美的）。因此，其载体不应当是一个简单的储存设备—至少应该存在部分计算（也就是仿真大脑）功能。

这样， “数字化人类”的载体（我们称为数字生命备份卡）应该至少有两部分组成，记忆存储部分，和思维存算部分，后者是一个专用计算芯片。在数字化人类过程中，其通过采集的脑电/或影像数据完成思维拟合。可以认为，数字生命备份卡本身就是一个专门从事“全脑仿真”的专用硬件，在对人类进行数字化的过程中，其需要连接脑机接口设备和大脑结构快照设备（电影中是合为一体的）才是能实现完整的人类数字化过程。

此外，数字生命备份卡可以通过外部算力设备驱动，其连接算力越强大，数字生命本身就会越强大，但是无论如何，这是一套微型计算设备，并不单纯是一个硬盘，其运行也离不开能源。
5

小结



以上大概就是我们对人工智能部分呈现的一些简单思考，对于《流浪地球2》这样一个体量庞大的电影，这可能只是我们参与的数十项世界观构建工作中的非常小的一部分。如果大家喜欢，我会在后续继续更新其他部分，比如我们对数字生命伦理、存在形式、稳定性、情感和社会观的思考等等。

最后，我也真切希望大家知道，所谓的“数字永生”，或者很多P社玩家说的“机械飞升”，仅仅是信息技术发展的一种可能性，距离我们尚且遥远。举个栗子，人的大脑大约有 850 亿个神经元、100 兆到 1000 兆个突触，秀丽隐杆线虫（C. elegans）的神经元只有302个，其神经回路早在1985年[8]就测绘完成，并在1993年[9]实现了部分模拟仿真。但是直到现在，我们都无法理解这些简单的神经连接为什么可以产生如此复杂的行为。

秀丽隐杆虫的302个神经元和约5000个突触

所以，在“什么是意识，什么产生了意识？”在这个社会科学问题被相关自然学科厘清之前，从一个科研人员的角度，我不认为数字永生能真正实现。但是，科幻的魅力或许就蕴含在这些不可能中。

最后的最后，以一句我喜欢的话结尾：

“我们想象的一切，都将变为现实”。


注1，本篇文章只限于预告片中的数字生命计划部分，电影剧情留给大家自行探索。

注2，作者声明：本文仅为科幻脑洞，大家见谅。

注3，此文成稿时我并没有看到完整成片，所以没有剧透。

注4，在此感谢人工智能组的其他同事，中科院计算所的王元卓研究员，江旭晖博士和沈英汉博士对此文做出的贡献。

（本文图片均为作者提供）

 参考文献：（上下滑动可浏览）


[1] Haas L F. Hans Berger (1873–1941), Richard Caton (1842–1926), and electroencephalography[J]. Journal of Neurology, Neurosurgery & Psychiatry, 2003, 74(1): 9-9.

[2] Kamiya J. Conscious control of brain waves[J]. Psychology Today, 1968, 1.

[3] Vidal J J. Toward direct brain-computer communication[J]. Annual review of Biophysics and Bioengineering, 1973, 2(1): 157-180.

[4] Farwell L A, Donchin E. Talking off the top of your head: toward a mental prosthesis utilizing event-related brain potentials[J]. Electroencephalography and clinical Neurophysiology, 1988, 70(6): 510-523.

[5] Bozinovski S, Sestakov M, Bozinovska L. Using EEG alpha rhythm to control a mobile robot[C]//Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. IEEE, 1988: 1515-1516.

[6] Marg E. DESCARTES'ERROR: emotion, reason, and the human brain[J]. Optometry and Vision Science, 1995, 72(11): 847-848.

[7] Thiebaut de Schotten M, Forkel S J. The emergent properties of the connected brain[J]. Science, 2022, 378(6619): 505-510.

[8] Chalfie, M., Sulston, J. E., White, J. G., Southgate, E., Thomson, J. N., and Brenner, S. (1985). The neural circuit for touch sensitivity in Caenorhabditis elegans " The Journal of Neuroscience 5(4) 956–96.

[9] Niebur, E. and Erdos, P. (1993). Theory of the locomotion of nematodes: Control of the somatic motor neurons by interneurons. Mathematical Biosciences, 118(1) 51–82.





制版编辑 | 松仪




THE END

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