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9、脑机接口技术的军事应用现状与未来

　　脑机接口技术的军事应用现状与未来
　　吉博文，印二威 脑机接口社区 2023-11-08 09:25 发表于北京 9人听过
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　　前言

　　2022年上映的美国科幻冒险片《侏罗纪世界3：统霸天下》（英语：Jurassic World Dominion）中，格兰特博士在飞机上听说生物合成公司用恐龙大脑的神经植入物发出电击控制恐龙，质问这是不是有点不人道。而科幻电影里所提到的神经植入物技术，正是真实世界中各国竞相研发的脑机接口技术的重要方向之一。

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　　图电影《侏罗纪世界3：统霸天下》片段

　　脑机接口技术是在脑与外部设备之间建立直接通讯和控制通道的人机交互技术，可用大脑活动所产生的生物电信号操控外部设备，或以外部的电、磁、声等信号调控大脑的活动，被称作是人脑与外界沟通交流的“信息高速公路”。脑机接口是实现智能人机交互高阶形态的关键途径，在无人装备操控、辅助情报分析、战场缄默通讯等领域具有重要军事应用价值。

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　　DARPA资助研究脑机交互头盔，通过意念操控无人装备

　　（：spectrum.ieee.org/darpa-funds-ambitious-neurotech-program）

　　2018年11月19日，美国商务部工业和安全局（BIS）“针对关键技术和相关产品的出口管制方案”中，罗列了14类“新兴和基础技术”进行出口管制，其中脑机接口技术位列第11位，具体包括：（1）神经控制接口；（2）意识-机器接口；（3）直接神经接口；（4）脑-机接口。
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　　美国商务部发布《关于某些新兴技术出口限制报告》
　　www.federalregister.gov/documents/2018/11/19/2018-25221/review-of-controls-for-certain-emerging-technologies）
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　　脑机接口技术位列14类“新兴和基础技术”出口管制清单
　　2021年10月26日，美国商务部工业和安全局发布预通知将脑机接口定为对美国国家安全至关重要的潜在新兴和基础技术，需对其适当的出口、再出口和转让（国内）管制。BIS公布这一拟议的规则制定，以获取公众和美国工业界关于此类技术是否可以为美国或其任何对手提供定性的军事或情报优势的反馈。可见，脑机接口技术在美国已得到高度重视，成为生物技术和信息技术深度融合的下一个主战场。

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　　美国商务部发布《关于拟制定脑机接口技术出口管制规则的通知》
　　（https://www.federalregister.gov/documents/2021/10/26/2021-23256/request-for-comments-concerning-the-imposition-of-export-controls-on-certain-brain-computer）
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　　美国商务部发布《关于拟制定脑机接口技术出口管制规则的通知》中向公众和美国工业界获取反馈
　　根据脑电信号获取的方式，脑机接口可以分为三种：非侵入式、半侵入式和侵入式。非侵入式不需要外科手术，只需要贴附头皮表面的可穿戴式设备记录脑电信号，直接进行采集和处理，但信号衰减严重、信噪比低、难提取；半侵入式将电极贴附在颅骨或大脑皮层表面，信号分辨率明显优于非侵入式，且具有更高的信噪比；侵入式通过神经外科手术将电极植入大脑组织内，其信噪比和分辨率最高，但手术创伤和长期损伤风险最高。侵入式脑机接口需要神经外科手术，电极长期植入始终需要面对物理损伤和免疫反应问题，技术门槛高、难度大，因此目前基于侵入式技术的脑机接口公司仅占不到5%。
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　　脑机接口分类和特点
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　　脑机接口的信号获取位置和信号特征
　　脑机接口技术的功效可以归结为以下五个主要方面：
　　（1）监测：使用脑机接口系统监测部分人体意识状态；
　　（2）替代：系统的输出可以取代由于损伤或疾病而丧失的自然输出；
　　（3）改善/恢复：针对康复领域，改善某种疾病的症状或恢复某种功能；
　　（4）增强：主要是针对健康人而言，实现机能的提升和扩展；
　　（5）补充：主要针对控制领域，增加脑控方式，作为传统单一控制方法的补充，实现多模态控制。
　　对应的主要应用方向，包括有医疗健康、教育娱乐、人机交互、军事应用等，其中医疗健康是目前最主要也最接近商业化的领域。而军事应用方面 ，脑机接口代表了一个新兴的颠覆性技术领域，如战士可以通过佩戴脑信号采集帽对相应武器发出作战指令，达到降低人员伤亡，加强作战能力的目的，还可以监测作战人员的生理和心理状态，利用监测到的数据及时分析战士情绪、注意力、记忆力等生理心理指标，从而增强相关作战人员军事技能的表现，但该技术的军事应用尚不成熟，且在国防和国家安全政策方面的讨论仍然较少。下面将以美国国防部高级研究计划局（DARPA）对脑机接口的长期支持来分析军事应用现状。
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　　脑机接口技术的应用方向
　　一、美国DARPA对脑机接口技术的支持
　　在美国，脑机接口领域几乎每一项进展或核心技术都可以追溯到DARPA的资助，最早可以追溯至1974年一个名为"生物控制学"（Biocybernetics）的项目。早期脑机接口公司BrainGate试验使用的假肢是由"Revolutionizing Prosthetics "项目计划资助；埃隆马斯克所拥有的世界著名脑机接口公司Neuralink，其植入柔性电极丝所使用的手术机器人，可以追溯到5年7000万美元的SUBNETs计划；2020年8月获得美国食品药品监督管理局（FDA）突破性医疗器械认定的神经血管生物电子医学公司Synchron的神经调控脑机接口平台装置Stentrode，其最初概念是由RE-NET计划资助的（DARPA详细资助见后附表）。
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　　DARPA近几十年对脑机接口技术的资助
　　News reports and DARPA's website）
　　DARPA资助脑机接口的首要目标有两方面，一是增强美国武装部队人员的认知能力，二是通过假肢或创伤后应激障碍治疗等解决方案的开发降低武装冲突后人类受到的伤害。几乎所有资助项目都属于以上两类之一，但也不乏相当数量的基础神经科学研究以辅助实现以上目标。无论美国军方是否使用这些成果，但不可否认的是，这些技术已经广泛地进入一般的公共领域，全球神经科学界都将享受到这些成果，其中也不乏一些商业化行为，例如Neuralink和Synchron公司正在与FDA合作开展人体试验。DARPA在非侵入性和侵入性两大类脑机接口技术领域都进行了长期投入，包括功能性假肢、记忆增强和恢复、神经接口稳定性、外围机器人交流控制等，几乎扩展到了脑机接口的各个细分领域。
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　　DARPA脑机接口项目分布
　　News reports and DARPA's website）
　　实际上，DARPA资助的项目很多并未成功，也是在不断变化的，脑机接口技术快速适应神经科学和伦理发展需求，这些项目也在发生变化，甚至中途放弃项目或更名。虽然关于DARPA和脑机接口研究的阴谋论比比皆是，但这些信息误差大多可归结为政策、战略方向变化或研究失败。
　　而获得DARPA资助的单位也在悄然发生变化。21世纪初，大多数脑机接口合同都给了Lockheed Martin,、Boeing和Booz Allen Hamilton这些大公司，但近期项目更注重于大学，这也说明一些新兴的研究成果推动脑机接口技术发展的重要性。受资助者几乎都来自美国，只有少数例外，比如墨尔本大学(University of Melbourne)得到RE-NET计划资助研发Stentrode。
　　DARPA的合同规模很大，许多签约方都是大型财团。大学和企业经常合作接受资金并分包出去。例如，“革命性义肢”项目是由两个研究小组领导的，DEKA和约翰霍普金斯大学应用物理实验室(JHU/APL)。DEKA与两所大学和一家私人开发商合作，而APL则将合同分包给19个初级承包商（大学和私人公司)、10个二级分包商和来自6个国家的合作者。最近，即使是大额赠款，受资助的人数也减少了。DARPA还通过公开支持和小企业创新赠款等机制，为这些命名项目之外的脑机接口研究提供资金。
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　　DARPA脑机接口项目的资助对象分布
　　（ News reports and DARPA's website）
　　例如，2021年美国布朗大学在DARPA资助下，开发出Neurograins神经颗粒电极，采用独立的无线微型神经传感器组成的协调网络，每个传感器大约只有一粒盐的大小，来记录和刺激大脑活动，研究小组将48个神经颗粒放置在动物的大脑皮层上，成功地记录了与自发大脑活动相关的特征神经信号。
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　　DARPA资助下布朗大学研发的Neurograins神经颗粒（2021）
　　（ Nature Electronics, 2021, 4(8): 604-614）
　　近年来，DARPA也资助了一些小企业或初创公司，最引人注目的是2017年的Paradromics公司拿到了DARPA投出的1800万美元，同一时期DARPA斥资6500万美元资助了6家机构，而Paradromics是其中唯一的一家商业公司，主要开发高速率脑机接口技术,能让患有如失明、耳聋和瘫痪的患者使用该技术与外界重新获得沟通和联系。其首个商业化产品Connexus是一个8毫米见方的微型模块，可以植入颅骨下方，进入大脑皮层表面。微线覆盖这些模块，再深入皮层1.5毫米，并将大脑的生物电信号转换为计算机可以理解的数字信号，反之亦然。这些模块与植入头骨中的第五个集线器模块之间传输数据，后者又将数据传输到胸部皮肤下的第六个模块，然后无线传输到附近的计算机，该计算机小到可以夹在轮椅上。以这种方式，大脑的活动可以转化为可操作的命令，例如计算机光标的移动。Paradromics现有的最新产品是一个智能手机大小的终端，采用侵入式方案，包含一个大小为256×256、总共65536根微丝的电极阵列，CMOS神经传感器阵列以及神经信号处理芯片，信号传输速率达30 gbps。这一阵列解决了神经信号的高带宽传输问题，且比目前临床试验中最先进的犹他阵列的信号采集能力更强。
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　　Paradromics公司首个商业化产品Connexus
　　www.paradromics.com）
　　DARPA已成为世界脑机接口技术领域投入资金量最大、资助时间最长的机构，他们的资金始终推动并引领了全球脑机接口的研究进程，对脑机接口技术的军事应用给予了高度关注，无论是恢复人体由于损伤而破坏的神经和行为功能，还是增强人类的训练与表现能力，尤其是如何让身体健全的士兵拥有超能力的技术。例如，2018年，下一代非手术神经技术（N3）项目资助了可在大脑和某些外部机器之间传输高保真信号而又不需要给使用者做手术以重新布线或植入装置。N3计划的目标是开发出新的无创技术，该技术可以实现目前只能通过嵌入脑组织的植入电极实现的高性能——要么在神经元“放电”而引发行动时记录电信号，要么刺激它们使它们放电。N3项目要求无创技术能够读取信号并将信息写入1立方毫米的脑组织中，且这些要在10毫秒内完成。该项目另一资助方向是开发新的微创技术，设想放置在神经元内部的“纳米转换器”，当发出电信号时，可以将其转换成某种可以穿过颅骨被接收到的其他类型的信号，前述的布朗大学所研发的Neurograins神经颗粒就是一种技术雏形。
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　　DARPA资助N3项目所要实现的完全无创新技术
　　DARPA's website）
　　二、脑机接口技术的成熟度、风险、机遇、挑战与考虑
　　2022年9月，美国国会的下属机构政府问责局（Government Accountability Office, GAO）发布了题为《脑机接口》（Brain-Computer Interfaces）的焦点报告，介绍了脑机接口技术的原理与技术成熟度，脑机接口技术的风险、机遇与挑战，并提出了政策制定者应考虑的4个问题。
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　　美国国会政府问责局发布《脑机接口》报告
　　https://www.gao.gov/products/gao-22-106118）
　　报告中提到，脑机接口允许用户凭借思想来控制机器，可以增强人与机器之间的交互，改善国防等领域能力。比如，作战人员可以在战场上通过脑机接口控制无人机。此外，研究人员还开发了通过脑机接口技术控制的机器手，可以为用户提供触感，即通过允许用户控制机器来扩展人的能力。
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　　脑机接口应用示例，包括智能拼写工具、智能手机接口、脑控无人机和机器手
　　（图源：GAO analysis (data)）
　　植入式脑机接口通常通过手术直接连接到脑组织。它们可能更适合患有严重神经肌肉疾病或身体损伤的使用者。例如，一个瘫痪的人可以使用植入的脑机接口连接到特定的神经元，以重新获得对肢体的精确控制。植入的脑机接口直接测量来自大脑的信号，减少来自其他组织的干扰。然而，它们会带来手术风险，比如感染和排斥反应。一些植入的脑机接口通过在大脑表面放置电极来降低风险，这种方法被称为皮层电描记术（ECoG）。
　　可穿戴脑机接口通常需要一顶含有导体的帽子，用来测量头皮上可检测到的大脑活动。可穿戴脑机接口可能适用于增强和虚拟现实、游戏或控制工业机器人等用途。大多数可穿戴脑机接口使用脑电图（EEG）来测量大脑的电活动。一种新兴的方法——功能近红外光谱成像技术（fNIRS），用近红外光穿透头骨来测量血流，这可以显示用户的意图等信息。
　　为了增强移动性，研究人员正在开发使用便携式方法来获取数据的脑机接口，例如无线脑电图。这些方法允许用户在自由移动的同时操作智能手机或其他设备。
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　　植入式(左)和可穿戴式(右)脑机接口
　　在技术成熟度方面，大多数脑机接口都在实验阶段。研究人员在20世纪70年代初首次测试了可穿戴脑机接口，并在90年代末首次将脑机接口植入人体。脑机接口研究在21世纪显著增加，发表了数千篇研究论文。据一家领先的脑机接口公司称，全世界只有不到40人植入了脑机接口，而且都是实验性的。脑机接口发展的主要障碍之一是每个人都会产生独特的大脑信号，另一个障碍是测量这些信号的难度。
　　从历史上看，脑机接口研究主要集中在生物医学应用上，例如帮助中风、身体损伤或神经障碍导致残疾的人。2021年4月，一款使用无线EEG的耳机帮助中风患者恢复手臂和手部控制的设备IpsiHand成为第一款获得美国FDA用于康复的可穿戴脑机接口。目前，许多其他用于医疗用途的可穿戴和植入性脑接口正在进行临床试验。
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　　首个经FDA批准的脑机接口设备IpsiHand

　　在风险方面，已经有研究人员开始关注脑机接口引发的潜在的法律和安全问题。比如，黑客可能利用恶意软件来拦截保存在智能手机中的脑信号数据，而如前所述，美国商务部(Department of Commerce)目前正在审查出口脑机接口是否会造成国家安全问题。例如，外国对手可以获得军事或情报优势。它的决定可能会影响该技术在海外的使用和共享。
　　研究人员还考虑了社会和伦理方面的影响。据报道，可穿戴脑机接口的成本从数百美元到数千美元不等，这可能会导致不平等的访问。此外，学习使用某些类型的脑机接口需要培训，这可能会给用户带来负担。研究人员还指出，如果脑机接口将大脑信号转换为语音，如果不准确可能会造成伤害。例如，不准确的翻译可能表明当事人不打算作出法律或医疗上的同意。
　　在机遇方面，一是可以帮助残疾人。因身体损伤或神经障碍而瘫痪的人可以使用脑机接口进行交流，重新获得对肢体的控制。
　　二是增强人的能力和人机交互。脑机接口可以加速和简化人类和机器在国防和太空等领域的交互，此外，一些研究人员提出，脑机接口控制的机器人可以在危险环境如煤矿中帮助人们。
　　三是促进大脑研究。科学家可以使用脑机接口来提高对大脑的理解，一些研究人员使用脑机接口来检测植物人或最低意识状态患者的情绪。
　　在挑战方面，一是技术和用户挑战。每个人都会产生独特的大脑信号，很难清楚地测量。此外，学习使用脑机接口可能需要大量的训练。
　　二是道德框架。脑机接口可能会提出什么构成同意的问题，以及某些人类增强所带来的潜在不公平优势。
　　三是安全和隐私。脑机接口很容易受到暴露大脑数据或干扰设备功能的网络攻击。
　　政策制定者应考虑以下4个问题：
　　一是随着脑机接口向商业和病人使用的方向发展，它们会对所有人开放吗?谁将承担成本？
　　二是增强人类能力的脑机接口应该如何监管？
　　三是脑机接口可能引发哪些伦理问题，哪些应用可能构成对脑机接口的不道德或有争议的使用？
　　四是哪些步骤可能有助于减轻与大脑信号数据采集相关的潜在安全和隐私风险？
　　另外，由于涉及到诸多安全问题和伦理争议，美国的脑机接口临床实验必须经过FDA的同意。2019年初，美国FDA发布了非临床脑机接口设备测试指南《用于瘫痪或截肢患者的植入式脑机接口（BCI）设备的非临床和临床考虑因素—FDA工作人员指南》草案。随后于2021年5月发布正式指南，对植入式BCI医疗器械在申请临床研究□□械豁免（Investigational Device Exemption，IDE）或注册上市的预提交阶段提出了可借鉴的一般性建议，这也是世界上第一份有关脑机接口设备的测试指南，标志着脑机接口技术渡过概念期，进入标准化、规范化高速发展的新阶段。而未来希望植入式脑机接口技术从临床医疗迈入军事应用，也离不开相关指南或标准规范作为指导。
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　　美国FDA发布BCI设备指南

　　三、脑机接口技术的军事应用和意义
　　2020年，美国兰德公司发布了一份名为《脑机接口：美国军事应用和意义的初步评估》（Brain-Computer Interfaces: U.S. Military Applications and Implications）的研究报告，分析了“脑机接口”在未来作战中可能的应用领域，以及未来可能面临的潜在风险及挑战，并对此给出了建议。报告认为，虽然存在一定风险，“脑机接口”很可能在改进未来作战中的人机协作方面提供相应的支持。然而，运用该技术时仍需采取预防措施，并减少开发和运用“脑机接口”技术中潜在的伦理和法律风险。
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　　兰德报告《脑机接口：美国军事应用和意义的初步评估》（Brain-Computer Interfaces: U.S. Military Applications and Implic

　　脑机接口技术军事应用的研究将脑机接口技术置于未来战争的背景中，包括人机协同。人机协同将在未来作战中发挥重要作用，而脑机接口技术将成为未来战争中的竞争优势。
　　国防部前副部长罗伯特·沃克认为，“冷战时期的主流是装甲旅、机械化步兵旅、多管火箭系统营、自行火炮营、战术战斗机中队等。现在，军事领域的主流是机器学习和人机协同，这允许机器帮助人类作出更好的决定、辅助人类操作、将网络的力量带给个人、人机对抗合作以及自动化网络”。
　　国防高级研究计划局（DARPA）提出，“智能系统将显著影响我们部队未来的作战方式，现在是时候考虑人机协同的应用以及如何实现了”。
　　为迎接未来世界，人机团队代表“领域的硬币”，美国国防部已经投资开发允许人脑与机器直接通信的技术，包括开发可植入的神经接口。能够在人脑和数字世界之间传输数据。在未来的战场上，人类的思想很可能被引导到人工智能软件或机器人，信息从传感器和机器直接传回人脑。最终，人类和机器可以在认知上无缝协作、共同思考。
　　（1）脑机接口技术的军事应用
　　一般来说，脑机接口理论上可以用来帮助未来的作战人员在较短的时间内作出更明智的决策，或者比目前的同行更有效地与更多的机器人系统接触。
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　　DARPA资助军事应用项目：

　　第一，实验室研究表明，脑机接口能够提高人类决策的速度和准确性。
　　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，以进一步减少认知负荷。因此，在战斗中，脑机接口可以通过呈现信息和绕过物理感官的新方式来加速操作员的观察、定向、决策、行动 (OODA) 循环。因此，DARPA将军事人员“以思维速度促进多任务处理”和“与智能决策辅助接口”的潜在能力作为其投资非侵入性或微创脑机接口技术的两个理由。
　　第二，脑机接口还可用于更有效地与人工智能互动，以帮助在压缩的时间范围内维持人类对运营决策的监督。
　　一些学者假设，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。一些中国学者将此称为战场奇点。一些美国学者将这个概念称为超级战争。
　　第三，有效地参与战争决策并与机器保持同步。
　　在这个世界上，采用脑机接口并将人与机器有效地结合起来不仅是一种战术优势，而且是战争中的核心战略优势。脑机接口系统可以促进半人马作战，利用“自动化的精确性和可靠性，而不牺牲人类智能的稳健性和灵活性”。在战场上，一个关键问题是脑机接口是否允许人类在未来人工智能驱动的行动中做出有意义的决定节奏。
　　第四，脑机接口可以为寻求在战斗中管理未来机器人机器或机器组的人类操作员带来潜在优势。
　　正如前 DARPA 项目经理 Al Emondi 所建议的那样，“随着我们接近未来，越来越多的自主系统将在军事行动中发挥更大的作用，神经接口技术可以帮助作战人员与这些系统建立更直观的交互”。作为一个实际问题，实现对车辆、机器人或无人机群的免提控制的能力，尽管脑机接口可以允许操作员使用双手执行其他任务，例如携带传统武器。与手动操作相比，脑机接口还可能允许操作员对蜂群进行更多操作。2009 年北大西洋公约组织的一项研究得出的结论是，让一个人类操作员控制多辆车辆的目标“充其量是非常雄心勃勃的，而在最坏的情况下，不可能实现”。目前关于脑群接口的工作表明，脑机技术可能能够改善这一挑战。
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　　脑机接口技术具备军事应用潜力
　　（2）脑机接口工具箱作用
　　脑机接口技术能够支持国家安全和未来战争吗？为了证明这一点，兰德利用预测脑机接口技术未来功能的工具箱进行了一次桌面推演（table-top exercise，TTX）测试，要求玩家在两种战术城市行动的背景下和六种作战人员功能（任务指挥、情报、火力、移动和机动、部队保护和维持。这个过程使我们能够比较玩家对不同技术在两个不同任务中不同功能的效用的评估。

　　脑机接口桌面推演测试过程

　　为了对七个脑机接口工具箱在军事应用中的作用进行初步测试，进行了一个为期一天的游戏。游戏结果表明，脑机接口能力在城市战场上是有用的，这也支持了团队最初的假设。所有的脑机接口工具都被玩家使用过多次，所有的战斗功能都至少使用过一次。下表列出了脑机接口工具箱的功能，这些功能可能在相对较短的时间框架内可用，以及较长时间内的预测。
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　　在这项研究中确定的七种脑机接口能力中，参与者发现如下三种能力使用最多。首先，参与者优先考虑脑机接口技术对人机决策的支持，期望在混乱的战斗中整合来自多个来源的信息，或在战斗中加速决策；其次，通过脑机接口的直接系统控制可以为战斗人员提供半自动系统和无人机群的免提控制；最后，增强的身体表现将提供更好的听觉和视觉能力，或者更流畅地控制外骨骼。
　　参与者指出，一旦人工智能和机器人技术的军事应用技术进一步发展，将会提高脑机接口工具的保真度和可靠性。同时，一旦敌方获得这些能力，