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2019年脑机互联行业趋势及商业前景研究报告    

脑机互联行业丨研究报告

全文字数:7449字  精读时间:19分钟


核心摘要:
1943年2月,著名的物理学家,埃尔温•薛定谔在都柏林圣三一学院发表了著名的《生命是什么?》系列演讲。这个时间距达尔文的《物种起源》发布相隔84年,在这84年间,物理学飞速发展将人类从宏观世界带进了微观世界,直面横亘在人类理解宇宙万物的真理面前。相较之下,生物学的进步却似乎进展不大,虽然我们成功的破译了DNA的秘密,但是对于生命这一现象的本质,仍没有完善合理的解答。
如果不引入新的概念,那么原子领域与生物体领域之间的鸿沟将无法弥合。尽管科学界已经广泛接受“我们需要将生命重构为一种物理现象”这一观点。但事实证明科学界显然低估了生命与生物这一主题的复杂性。

进而,科学与生命的联系,形成了一个融合生物学,物理学,计算机科学和数学等若干领域的新兴学科。因此,未来科技与生物结合的研究,不仅仅是由个别明星企业带来热度而进行研究的实用主义,更是引领生存终极意义,让科技更好服务于人类,不谈征服而至少与万物和谐共生的伟大事业!

如锦:技术发展的必然产物

一个哲学问题
我们是不是数字世界的神
现在几乎没有什么语言能够描述,计算机和数字科技对人类文明发展的贡献,它的重要意义和伟大不言自明。这些都能归功于人类自身的探索与创造,人类征服自然,拥有了和造物主一样的神力,为了适应和改造环境,人类不断发明与创造新的工具,计算机的诞生,亦源自于此。这很容易让我们进入一个有争议的哲学论题,即:尽管数字客观存在,但数字世界是由人类创造出来的。这个由0与1构成的世界,是必须服从于人类诉求的存在。所以我们相继开发与建设了多种现实与数码世界的交互媒介,从打孔纸片为承载物的第一代程序,到复杂的操作系统,再到根据不同功能侧重的操作系统。每一轮实体与数码世界交互媒介的升级,都伴随着人类更好的利用数字世界的愿望。

1924年,德国医生汉斯·贝格尔第一次从颅骨受损的病人头部测到了极为微弱的电流。在经过近五年的漫长实验后,他终于确认了这种神秘的电流的确来自于脑部活动。关于灵魂与意识的种种假设,终于有了破解的方法。20世纪60年代后,信息学逐步创立,人类理解世界的方法下沉到了信息这个层面。伴随着生物科学的进步,信息与意识实现了跨时代意义的首次握手。我们发现,无论是打孔制片,键盘输入,亦或是语音和图片,都是让信息与意识相互转换的媒介。既然如此,信息与意识直接相连,就变成最经济,最高效的方法,并且存在利用数码能力突破生物极限的可能。
自此,几乎等待了一个世纪之久的脑机互联,跌跌撞撞的迎来了它的第一缕曙光……

加速新世界

硬件与服务改变业态,使网民渗透率加速上扬

数字世界的人性化转变

每一轮数字产品的升级,都伴随着体量上的暴增

时至今日,传统电脑的年出货量基本维持在1300万台左右,尽管曾经一体机是全球科技文明的代表,但在新时代背景下,其不可移动性和操控性等受制因素使之再难成为物理与数码世界的第一传媒。而随后诞生的平板电脑,年出货量与一体机有着10倍体量的差距。更加便捷和人性化的智能手机与平板电脑又有着基本10倍的量级差距。在人类为了自己改造环境的过程中,可穿戴设备的理念必然会是对现有沟通媒介的替代方向,一旦诸如身份地址、操作系统和交互协议等基础设施完善后,操作更人性化的设备可能亦有10倍于智能手机的年出货量。

信息的去中介化

控制方法制约可穿戴设备出货量放大

2015年至2019年,全球可穿戴设备出货量的占比一直处于稳步提升的趋势中,预计2023年这个占比会扩大到18%。前文所述,每一轮硬件的升级都会带来大约10倍出货量的量级改变,目前限制可穿戴设备增量的因素有很多,其中交互方式是一个重要原因,由于可能失去传统键盘式信息输入方式的支持,导致可穿戴设备需要一系列的功能控制层的创新与突破。其中大脑与信息源头的互联以及操控,是非常重要的突破方式,也是最符合人体需求和科技发展方向的领域。

临光:脑机互联潜在市场及技术障碍

脑机互联原理简介

尚需大量实验以鉴别不同脑电信号背后的行为意图

尽管脑机的想象空间很大,但目前为止,脑机的应用和原理依然停留在初级层面。

脑电与意识:
以现在人类对脑科学知识的理解,大脑和意识的物理本质是电运动。因为脑神经在遇到不同刺激,或思考时,会打破神经细胞的细胞膜内外的电位差,形成电荷移动,从而出现局部电流。这种微弱的脑电经过神奇的运作,让人类开始思考。

脑神经细胞受到刺激后,细胞膜外大量存在的钠离子会涌入细胞内,进而打破原有的电位差,行成电流。电流传递过程中会继续刺激其他神经元,最终行成意识,这些意识或被自己解读,或行成运动的指令,输出给自己的身体。

脑机的原理:

在初步掌握了意识产生的物理真相后,我们就可以通过监测,试别,改变等一系列影响脑电的行为,来实现对脑的控制和改造。脑机互联就是这种行为最极致的体现,但现在实现完美的脑机互联还为时尚早。
解读脑电信号的过程非常繁琐,实现脑机互联,主要分成五步:1)通过探针监测到脑电信号。2)通过复杂的数学方法,展现脑电信号的不同维度。3)将有共性的信号归类,解读该类信号的大脑意图,并与之匹配。4)通过算法和测试,将信号与肢体行动幅度和准确性匹配。5)将行动结果反馈回大脑。
原因是大脑太过复杂,人类的思想也千变万化,在没有更高级的思考或运算逻辑体系出现之前,我们想实现脑机互联,只能通过尽可能多的试别脑电信号与意识意图之间的对应关系来完成。
所以目前,脑机的应用和原理依然停留在初级层面,离大规模商业应用还有很艰巨的科研任务需要攻克。
在商业上,能够识别出更多的脑电信号是脑机互联能够有所突破的必要条件。

通往神域的天梯

市场空间暂时限制国内探针行业的商业进展

因为我们尚无法掌握非物理接触的脑机互联方法,所以实现脑机互联的第一道关卡,就是大脑本体与机械的接触。大脑的生物实体非常脆弱,并且人类肉体本身具备强烈的免疫特性,因此破坏性的脑机接触是不可能的。目前按照接触类型,脑机产品可以分成三类:侵入式、非侵入式和混合式。非侵入式的实现原理和侵入式没有区别,不同的只是利用电极在颅骨外监测微弱的脑电信号而已。目前的科技水平,非侵入式脑机在识别精度问题上和侵入式有比较大的差距,所以目前科学和商业上都更关注侵入式脑机的研发。而判断一个电极优劣的指标有以下三个:通道数、尺寸和生物相容性。

关于尺寸和通道数:每个电极尺寸大小不一,通常会以2毫米×2毫米为基准。在上面平均分布100根左右的探针,根据每根探针能探测的脑电信号数量作为乘数,乘以探针总数量,就是一个电极的通道数。这是目前评估电极技术水平的指标之一。
目前,国际上单电极拥有1024个通道是比较先进的水平。不过根据可研目的不同,对通道数的要求并没有那么绝对。国内100-500通道的电极适用性就已经很广泛了。
关于相容性:针由合金制作而成,合金成分主要有钨、银、镍、铂等,并不是非常稀有的金属,制作过程相对简单,不需要非常高级的制作工艺。
由于大脑在接触异物的时候,会产生胶质细胞,这种细胞包裹在探针上,让探针失去导电性,导致电极整体失效。所以需要在探针表面加一层涂层。涂层通常为聚酰亚胺或派瑞林。
派瑞林采用真空气相沉积法涂覆,受制于派瑞林本身材料的好坏,操作设备的效果。聚酰亚胺使用更加原始的浸墨法涂覆。设备和材料本身的纯度国内外存在很大差距。
探针本身国内生产商非常少,原因在于使用量不大,不足以维系一家工厂的运作,所以多半采用进口的方式。

你所见的只是冰山一角

脑机互联市场产业链非常庞大,这本身也是一个问题

因为埃隆·马斯克的明星效应,和行业本身巨大的想象空间,使脑机互联行业一跃成为社会关注的热点话题。基于这种热度,对脑机互联未来前景的展望变得一发不可收拾。问题在于,社会热点只会聚焦在想象力最大的几件事情上,而忽略其他。实质上要完成那几件大事,背后有一系列相关产业的支撑,脑机行业并不是由一家企业可以支撑的庞大产业。这也是脑机行业健康发展必须扭转的社会舆论问题。

教育娱乐:尚需开发

目前所见的相关应用都比较初级,很难形成有效的市场影响

目前脑机娱乐产品主要以评估专注力为主的初级游戏为主,这种简单的模式与移动游戏产业最初“捕鱼”“切水果”等游戏的模式类似。所以我们预期在脑机游戏领域,会与移动游戏产业发展历程有相似之处。不过不同的地方在于,移动游戏产业的发迹有赖于智能机的普及,网民的渗透率程度。所以脑机教育娱乐产业可能会先经历一轮脑机硬件的普及,比移动游戏效率更高的地方在于,目前游戏已经形成了一整套完善的开发体系,所以爆款游戏的出现有可能缩短脑机娱乐的发展周期。

核算逻辑
step1:2014年中国第一大爆款手游DOTA出现,引爆了中国手游市场。以此为分界点,之前都算预热阶段,之后是游戏大发展的年代。那么2014年中国手游用户为4.1亿,约占全中国人口的30%。
step2:30%对标到脑机接口,脑机接口所处的位置与当时的智能手机类似,中国智能手机渗透率≈网民的渗透率。中国网民渗透率约用16年达到这一水平,基本和世界保持同步。

step3:目前,教育娱乐类脑机设备的销售均价在500-1200元区间内,取平均值850元所以在先期硬件与游戏等价的基础上,前16年市场规模为:脑机渗透率×总人口×脑机设备单价

step4:16年过后,除了渗透率本身的提升带来的硬件设备销售规模,还有大量基于脑机平台开发的新游戏。按照目前主流游戏机销售收入和游戏收入的比例看,硬件和软件的比例在1:1左右但之后脑机游戏的增长会复制手游爆发后5年翻11倍的速度。
医疗设备:医保政策

医疗领域技术问题并不多,主要在保险和政策护航上

医疗是目前脑机产业商业应用最成熟的产业,也最大的产业之一。集中在疾病诊断和疾病治疗两个领域,疾病诊断如脑电图监测等是自1924年就开始应用在医疗领域的技术,某种程度上,已经不能和今天的脑机技术相提并论了。而在更深层次的精神类疾病治疗领域,则运用了侵入式脑机技术,对大脑神经产生一系列或抑制,或增强的电刺激,来抑制疾病或使残障人士重新获得行动能力。不过受制于伦理方面的问题,全球脑机在神经治疗领域的进展比较缓慢,一个技术投入市场之前,需要大量临床试验,数据量和志愿者的招募都很难快速提升。而在中国,医疗保险的覆盖面也是影响中国脑机神经疾病治疗的原因。

科研设备:暴力并联

科研市场规模无法估算,神经元监测再上一个量级或可突破

科研市场是脑机产业尚处初级阶段的最好证明,因为他完全可以实现所谓的“自产自销”,脑机既是对大脑的调控与反馈,又是进一步了解大脑运作原理的重要手段。所以很多脑机设备的研发与制造,本身就是为了能让科研进行的更加高效。对于科研领域来说,技术、方法甚至于理念都一直都在进步。从过去寄希望于力图将单个神经元细胞的功能原理弄清,到现在可以针对一个神经元集团进行脑电分析。这期间经历了技术、算法等多方面的更迭。以现在科技类产品的工程理念来看,未来通过“并联”更多的电极,使可调控的神经元数量级再上升一位,可能会形成一些具体的商业应用。

芯片与其他:底层科研
科技类产品经常忽略的事实就是它们并不是一切的起点
尽管脑机在大脑和神经科学,以及实践应用领域取得了不小的成就,但仍然有一系列的技术问题尚待解决,比如,人体的排异反应导致电极的使用寿命受限;算法和芯片的能力制约了脑电信号的进一步解读;以及义肢的制造工艺使脑机功能发挥余地有限等等……而这些更加底层基础科学的进步,是使脑机产业更上一层楼的保障。
除此之外,脑机互联本身在商业模式上的探索与开发,是更加迫切和谨慎的领域。诚然科学家在此过程中必不可少,但基础的科研成果,甚至初级的科研产品都是严重不符合市场需求的产物。而在这个环节上,工程人才的引入可以最大限度解决这个问题。

核算逻辑

电极和探针:材料学、基础化学、合金工艺等学科的进步,直接提升电极和探针的使用效能。

芯片领域:基础物理、量子力学、量子计算等基础学科,新的计算模型的开发等应用科学的提升,直接提升芯片的能力和计算速度。

外联设备:外联设备所需要的底层科研更为庞大,甚至于更加依赖于工程与工艺的进步,才能更好的与人的神经信号相匹配。

商业探索:从目前发展相对比较好的科技企业的情况来看,企业的最核心掌舵人并不是科研工作者,而往往是具备一定科研基础,又懂工程的人能够最大限度的发挥新科技的商业影响力。未来能够将科技的力量正确统筹并应用的人,是脑机行业最稀缺的人才。

源始:下一代操作系统的可能性

合理性

去中介化和模式的近似性,促使脑机可能成为下一代OS

脑机互联这种模式之所以想象空间巨大,除了本身的商业价值外,还有另一个非常重要的原因在于,它极有可能给现存的人机交互形式带来根本的变革。过去很长时间内,我们都通过键盘和鼠标与机器沟通,尽管有一系列诸如语言、视觉、触觉交互的模式涌现,但都没能撼动键盘鼠标的基础范式。而脑机互联则可能对此进行完全的颠覆,成为下一代主流操作系统,有两条逻辑链支持这个判断。

操作系统的追求

历代OS的演变,显示出系统操控性真实世界化的倾向

所谓操作系统和日常接触到的程序之间没有本质上的区别,只是在功能侧重上和普通的程序不同。普通程序是基于操作系统开发的应用,普通程序的首要目标是最大限度的实现用户的实际功能需求;而操作系统则是在保有基础的功能时,最大限度的发挥硬件的功能。也就是说,普通程序想要完成某项任务,必须由操作系统将功能信号翻译成“机器可以听懂”的信号,发送到硬件上,进而从物理层面实现这个功能。所以操作系统是出了硬件设备外,支撑起庞大数码帝国的根基,这也是为什么近年来它显得尤其重要的原因。从操作系统的历史演变来看,其越来越多的显示出数码与真实物理世界相结合的趋势。

运算、形态和逻辑

硬件能力对操作系统的反向促进

尽管每一代计算机在性能方面都有很大的飞跃,但其基础原理、运行范式都没有本质区别。所以自1960年至今,PC计算机的操作系统行业始终处于“赢者通吃”的环境中,没有任何一种新的操作系统能够有效挑战Windows的统治地位。而智能手机的出现,使原有的使用环境,硬件功能发生了剧变,也因此推动了移动端操作系统的发展,诞生了安卓和iOS两款处于统治地位的操作系统。与前两者都不同的是,脑机的出现不仅使功能和环境再次发生剧变,还深度改变了运算的模式和逻辑。这三点结合在一起,极有可能促使新的操作系统出现。

商业上成功的重要条件是生态

基于操作系统的开发者群体对于新操作系统至关重要

硬件功能的逐步强大最终目的是实际应用,所以开发者对于新的操作系统来说,是商业成功至关重要的群体。通过开发者的拓展与维护,使越来越多的程序落地供用户使用。所以某种程度上说,一款操作系统的景气指标就是其平台上程序的个数。目前对用户影响最大的移动互联网生态操作系统的演进也可以看到端倪,需要提醒的是,全球网民用户渗透率在这一时期一直在提升,所以市场红利消退的现象并站不住脚,所以最大可能还是生态体系的变化。

变革之后的新引擎

大脑相比硬件设备功能上的本质飞跃,将孕育新的数字模式

从计算机的发展上看,人类是将自身可以i做到的运算机械化、自动化,以及在可能范围内的强化。所以可以看到随着人类对自身研究理解的深入,计算机的核心运算组件的运作模式也在改变。未来随着脑机对大脑运作秘密的逐渐解析,新的数字模式可能会使计算机核心运算原件进行新的升级。如果还能配合上新的操作系统,那么这种升级作用将更进一步实现数字即生物的构想。

源始:下一代操作系统的可能性

伦理本身就是伦理问题,它将被突破

人体试验志愿者的缺乏与未来侵入式脑机普及最大的障碍

在基础不产生颠覆性变革的前提下,侵入式脑机是未来脑机互联领域最大可能的突破者,也是短期内脑科学研究取得进展的必要手段,而这也恰恰是脑机行业目前面临的最严重的非科研性问题。由于侵入式脑机需要开颅手术,将电极穿过颅骨植入到大脑皮层上。因此脑机就必然面临两个互为因果的问题,首先,脑机产业商业上的成功,必然要依靠医学,而一个新型的医学产品想要成功上市,必然要经历一系列临床案例的佐证,然而这恰恰是脑机互联目前无法大规模拓展的关键。因为脑机互联涉及复杂的伦理问题,关于伦理,它像宗教一样既维护这社会的稳定,又束缚着社会的前进。然而伦理并没有严格的定义,它本身就像一个少数服从多数的社会风气,所以伦理问题本身就是一个伦理问题。科技的前进需要合理的勇气和无法避免的突破,未来“免费”“抽样”“试作型”新产品等商业活动,将不可避免的辅助科技产品在伦理层面的突破,无论接受与否这都是生物科学的必然选择。

领先一步的产品会首先上市

与日常生活更加贴近的试作型产品是最好的市场教育

在报告第二部分提到的脑机互联应用产业,是脑机未来产生最大商业和社会效益的行业,但在这之前,脑机行业势必经历一个漫长(可能是15年)的市场预热期,在这个预热期内,脑机行业将完成最重要的市场教育行动。借鉴目前互联网行业市场教育最快速的方法,即:让用户以最快的速度,毫无障碍的完成他想做的事,就是最好的市场教育。所以除了医疗这个必须涉及生死的行业以外,其他日常生活中常见的小事,用户目前认知中的客观产品的改造和脑机联通化,将是最好的市场教育。在完整脑机产品同步开发的同时,这些“试作型”日常产品将成为脑机产品的破冰者。

从脑机互联到人机互联

目前,肌肉神经连接比脑神经连接更能实现对机器操控

刨除基础的实现技术难度以外,要通过脑机互联产品实现对物理设备的操控,还需要一层很重要的筛选机制,或者叫防火墙机制。目前实验室中的实现,都是无害型的验证,但生活中危险无处不在。比如:路怒症的司机是真正要做撞车的行为,还仅仅是一种宣泄性的想法?同样是转向,是迅捷而极速的大角度快转,还是柔和而缓慢的小角度转弯。这些都是类似行为背后脑电的细微差别,不但攻克科研课题很困难,在操作端产品设计的时候,也需要考虑复杂的防火墙机制。

与之相对的是,人体肌肉纤维上的神经元个数要远少于大脑本身,而且功能化的肌肉,其神经元发出的信号也相对简单,更易于识别。同样是出于预热和市场教育的角度出发,在脑机互联网商业化成熟之前,人机互联的可能性更高。


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