张俊辉，张欢欢

2020年人机混合智能技术发展综述

张俊辉1，张欢欢2

（1. 北京交通大学交通运输学院，北京 100044；2. 中国电子科技集团公司电子科学研究院创新中心，北京 100041）

人机混合智能是一种新型智能形式，是一种跨越物种、属性结合的下一代智能科学体系。对人机混合智能领域的最新研究与应用进展进行了综合评述。首先介绍主要军事强国在智能外骨骼设备方面的研发和列装进度；然后盘点虚拟现实和增强现实技术在美军各军种的应用现状；最后讨论脑机结构技术的军事应用与影响。综述表明，通过人机协作的方式提高人与系统综合的性能，使得人类智能和人工智能的结合成为最高效的解决复杂任务问题的基本方式，人机混合智能概念的出现给解决军事智能问题提供了可行的途径，将会从思想、技术和应用模式上对现代和未来军事作战产生全面影响。

人机混合智能；人工智能；军事应用；外骨骼设备；虚拟现实；增强现实；脑机接口

1 引 言

“人机混合智能”作为一种新型的智能形式，有别于传统意义上的人工智能，是跨物种、跨属性结合的下一代智能科学体系[1-2]。在这个体系里，机器擅长的记忆、吸收和关联以及人类的推理、判断和规划优势相结合，会创造出更加智能的世界。人机混合智能作为人工智能2.0的重要方向，是一种颠覆性的人工智能技术，它旨在通过人机协作的方式，提高人与系统综合的性能，使得人类智能和人工智能的结合成为最高效的解决复杂任务问题的基本方式。当前的人工智能技术在解决以环境高复杂、边界不确定、博弈强对抗、响应强实时和样本稀疏为主要特征的军事问题上还存在较大挑战，在军事领域的人工智能应用还十分有限，人机混合智能概念的出现给解决军事智能问题提供了可行的途径。当前世界各军事强国都将人工智能作为未来军事中“改变游戏规则”的颠覆性技术，纷纷加快推进智能化作战装备研究。各种军事作战装备或系统始终都是一个“人—机—环境”系统。实际上，无人机、无人车、无人艇等各种无人装备都不可能是完全无人的，只不过是人由前置转为后置、由体力变为智慧、由具体执行变为指挥控制，其中涉及复杂的人机交互及其相互关系的问题，单纯的人工智能与人类智能都不能使其发挥最大效能，人机智能的混合是其重要的发展方向——人机混合智能，是颠覆性技术的一个关键领域[3-4]。本文重点从智能外骨骼、VR/AR人机协作、脑机接口等方面，概述人机混合智能的最新进展。

2 智能外骨骼设备研究进展

现代战争已进入高科技时代，这让步兵的地位进一步下降，但是近年来的实战却一再证明：空中力量存在局限性，地面作战部队依然具有决定意义，在许多情况下步兵依然不可缺少，这让各国又开始重视高端步兵装备[5-6]。全球各强国部队都在着眼发展智能外骨骼。近年来，俄军已经展示过多款外骨骼系统，包括2017年展示的K‒2型被动下半身外骨骼和2018年展示的Ratnik-3型强动力外骨骼，2020年推出了可以承载60 kg负载的BEC‒01外骨骼装备（图1）。以Ratnik系列外骨骼为例，其属于无动力的外骨骼系统，使用弹簧和智能工程技术减轻了承载者的负担，可以协助士兵轻松进行重体力劳动，而且仅需花费几分钟就可以完成安装与解除。俄罗斯的外骨骼技术试验不断稳步推进，同中国一道成为全球最早军队列装外骨骼的国家。此外，俄军的K‒2型外骨骼装备、EO‒1型外骨骼装备（Ratnik系列的早期版本）已经在叙利亚使用，主要供给工兵，在操作扫雷机器人时用于携带指挥和控制控制台。美国在列装方面落后于俄罗斯，美国陆军未来司令部正努力改变这种现状，而且已经取得了一定的成绩。

图1 俄军BEC‒01外骨骼装备

美国军方在外骨骼方面探索可以追溯到几十年前，五角大楼曾经启动过多项外骨骼项目，例如美国特种作战司令部的“战术突击轻甲”项目[7]。最初的外骨骼的定位是“刀枪不入”的战衣[8]，随着时间的推移，外骨骼有了更丰富的功能内涵：外骨骼被认为是一个“系统”，能够为人体的下半身或上半身提供助力；更近一步，它可以是一种混合动力系统，能够组合一切功能，进而为士兵全身服务、能让士兵比现在更轻松地完成日常工作，例如让士兵携带更多弹药、更重的武器，让士兵行动得更快等，帮助士兵更好地战斗、减少疲劳，进而让小型部队的单兵更加高效；结合有多种传感器和电信设备，具备多维态势感知，显著提高特战队员的工作效率。经过数年的研究与测试，美国陆军开始正式推进动力型外骨骼的研发与部署。

美军的单兵外骨骼的类型很多，而且更新换代的频率也很高：2014年，雷神公司为美军开发了一款名为XOS2的外骨骼装置；随后2017年美国洛克希德·马丁公司又推出HULC外骨骼装置。然而，美军至今都未正式装备一款单兵外骨骼装置。2020年8月，美国海军陆战队开始推进测试一种代号为“守护者XO”的机器人外骨骼单兵穿戴装具（图2）发展计划，一名普通的陆战队士兵在穿戴该外骨骼后，其体力将可能达到普通人的4~10倍，能够在连续8小时内持续反复移动近100 kg重的装备或弹药箱，或持续几小时高强度格斗。这项合作协议由海军陆战队后勤创新办公室和美国Sarcos国防装备公司签署，Sarcos是一家研制高科技套装的公司。此外，这种上半身“守卫者XO”外骨骼机器人可以连接到不同的移动底座上，如轮式或履带式车体、叉式升降车、斗式卡车等，以满足海军维护装备、管理后勤物流的需求。外骨骼显然迎合了海军陆战队如今的转型：目前美国海军陆战队正在进行升级改制、精简人员，而搬运工作显然是相对低级的任务，精简后的人员减少，外骨骼的出现能够实现较少的人数完成以往需要多人才能完成的任务。2020年9月，美国陆军第十山地师司令部直属军事情报营测试了Onyx外骨骼系统。这套系统由美国洛克希德·马丁公司研制，计划在一年内通过测试并装备部队。Onyx配有一套综合传感器以及一台人工智能计算机，可根据士兵所处地形或者士兵背负载荷来调整功率，以有效抵消人体背部和腿部的过度应力，进而帮助士兵减轻压力。

图2 美军“守护者XO”的机器人外骨骼单兵穿戴装具

纵观美国和俄罗斯的外骨骼研发与应用过程，二者存在明显差异：美国起步早、成果早，但是由于预期较高、要求高，一直在改进、没有列装，此外多采用动力式设计思路，过于复杂、对能源依赖高、应用难度大且价格昂贵，因此丧失了先机；俄罗斯起步晚，但是一直在坚持，且多采用无动力系统[9]，价格低廉（不到美军外骨骼的1/10）、装卸方便，已经完成大规模列装、发展速度反而更快。中国军用外骨骼的技术路线与俄罗斯类似。

整体而言，对各国军队来说，外骨骼技术具有强大诱惑力：士兵作战时需要背负各类轻重火器、弹药及其他作战装备，由此士兵的负载重量也随之增高，引起士兵疲劳进而影响战斗水平的发挥。集成武器、装具和各种其他配件等的未来数字化步兵单兵外骨骼，正在将普通士兵武装“升级”成为过去科幻故事里描述的超人战士——这种超级士兵将无视赤道、极地、高原或沼泽的气候地形限制，同时还有卓越的数字化、智能化侦察定位瞄准等全方位功能，同时在装备内体力协助系统推动下，其体力也将倍增，甚至可以由此和猛兽角力。未来战争虽然是信息化战争、智能化战争，但是可以预见短兵相接的场面依然频繁，试想一个配备外骨骼的士兵和一个没有配备外骨骼的士兵对垒的结果。因此，外骨骼的研究与应用已经成为一项世界各国都在关注的关键技术。

3 虚拟、增强现实技术研究进展

自2016年以来，美国海军将虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）技术[10]融入战斗训练中，不仅节省了军费开支和大量时间，还有效提高了士兵的作战能力。虚拟现实中存有由计算机生成的虚拟内容，用户可以与这些虚拟内容交互（通常通过虚拟现实凸显），而增强现实则能够将数字信息带入用户的视野并覆盖在现实世界中，他们通常通过眼镜或智能手机的摄像头展现在用户眼前。

在过去，进行实战训练都是真人上阵，不仅危险性极大，而且一旦失事所付出的代价都是无法估量的，包括对飞行员的培养训练、飞机的制造保养等。现在，随着人工智能、VR、AR的发展与成熟，模拟人机空战已经成为训练飞行员、测试新机型、演练新战法等的重要选择[11-12]。2019年，美国空军的服务部门为其飞行员和支持人员迅速推广了虚拟现实和增强现实解决方案。除了空军，美国对于虚拟现实、增强现实的应用遍布各个军种：混合现实眼镜取代了工作人员通常随身携带的平板电脑或大型手册，可以在机器上叠加说明、显示PDF或图像，并获得其他人的远程支持，这些人可以通过戴眼镜来查看佩戴者所看到的画面；列装搭载了集成视觉增强系统（IVAS）的微软Hololens头显具有多种功能和实用信息，包括瞄准镜、夜视仪、具体位置定位等，还可以与无人机配合，实时查看无人机拍摄画面；耗资近一亿美元打造包含城市和关键地形的卫星影像与3D模型的全新数据库——One World Terrain（OWT），用于VR模拟真实战场；通过DAQRI智能头盔，让准备射击的枪手接收到来自联络员的命令以及武器系统数据，能在目标上覆盖图像以识别目标的性质和位置，同时发出诸如“发射”和“停火”之类的书面命令。

2020年4月，美国空军投资了一套成本相对较低的技术解决方案，以确保飞机能够正确飞行和维护：虚拟现实模拟器使飞行员无须在高空中真实操控飞机即可进行培训，从而节省了大量成本；同时，用于维修人员的增强现实眼镜可以节省时间并提高工人的效率。除了使用增强现实进行模拟训练，美国空军的空中教育与培训司令部还正在开发进行飞机维修的VR/AR培训项目。2020年8月，美国陆军战斗能力发展司令部（CCDC）军队研究实验室的科研人员研发了一套将AR/VR用于日常工作的流程，将AR/VR技术用于帮助科研人员分析大量数据或工程场景，为科学家和工程师降低AR/VR技术的使用门槛。2020年9月，美国军方在加沙边境沿线测试以色列制造的无人机拦截系统。该无人机拦截系统源于美军的一个新项目，该项目正在研究如何使用虚拟现实和增强现实来控制无人机，将使用小型快速无人机作为控制主体，机身上通过放置织网来打击捕获其他无人机。美军现在已经开始使用新系统进行训练，最终将会在战场上使用该系统，如图3所示。

图3 美国空军正在使用VR/AR技术进行培训及设备维护

将VR/AR用于军事，拥有着诸多优势：安全性方面，在虚拟作战中，士兵戴上设备会真实感觉到自己在作战过程中有中弹和受伤，而脱离虚拟现实环境回归现实世界后的士兵，其实和作战之前“毫无二致”；经济性方面，在虚拟作战中，不必受坦克被炸、飞机坠毁、子弹短缺、人员受伤等实战中经常出现的“物资和金钱消耗”的场景约束；此外，能够更加全面地考虑突发状况并且模拟在现实中可能出现的多种战局与场景，通过提前在虚拟场景中“预演”和“演练”可以为现实环境中“实战”降低失误率和死亡率[13]。

4 脑机接口技术研究进展

随着世界主要军事强国越来越多地将人工智能和半自主系统纳入其职能，脑机接口（Brain- Computer Interface，BCI）可能为扩大和改进人‒机协作提供重要手段[14]。脑机接口技术大多仍处于研发的早期阶段，美国国防预先研究计划局（DARPA）早在1970年就开始组建脑机接口研究团队，目前DARPA、陆军研究实验所、空军研究实验所等机构正在积极研究和资助脑机接口技术。脑机接口技术的军事应用，已经涵盖战场态势感知、信息处理与决策、战场反应与指挥控制等关键和核心的军事功能[15-16]。如果此前的武器系统不过是人类体能、技能和部分智能的拓展与延伸，那么脑机接口的出现，则使得人与武器系统之间呈现出越来越难以区隔的趋势。

2020年9月，美国军事智库兰博公司发布报告《脑机接口：军事应用与影响的初步评估》，研究了未来脑机接口技术可能与未来作战人员相关的关键领域，探索了人‒机神经通信在当前和未来的作战价值、相关弱点与风险，以及技术部署之前应制定的政策规范。报告通过测试“脑机接口工具箱”对未来战术城市作战的潜在效用，表明脑机接口技术很可能在未来战场产生实际作战效果，随着人‒机交互的发展速度和应用数量的增加，脑机接口能力的实用性将在很大程度上取决于其在战斗中的保真度和可靠性；脑机接口促进的脑对脑直接交流为作战行动提供了最具变革性的应用，但也带来了最显著的作战和制度风险。报告指出，脑机接口在军事作战、道德和法律领域可能产生新漏洞，并对现有的军事组织结构产生深远影响。

图4 只有硬币大小的脑机接口传感器设备Link V0.9

2020年1月，美国PARAFROMICS公司公布了一种新型高数据速率植入式脑机接口，采用比现有方法低60倍的功耗处理和传输神经数据，可降低大脑过热带来的风险，同时传输更多数据。2020年8月，美国脑机接口公司Neuralink 发布了最新研究的只有硬币大小的脑机接口传感器设备Link V0.9（图4），其直径为23 mm、厚度为8 mm，拥有1024路连接，能够感应温度气压，并读取脑电波、脉搏等生理信号，可以置于人脑的颅顶部位。2020年10月，美国空军研究实验室（AFRL）宣布，将开发“增强型学习平台”，使大脑在学习过程中更容易吸收信息，积极探索在人脑和计算机之间创建接口，以提高飞行员学习和快速有效决策的能力。该项目名为“个性化神经学习系统”（iNeuraLS）（图5），是一项为期三年的概念验证项目，建立在AFRL对神经调节和大脑学习状态进行中的持续研究之上，并得到了“颠覆性能力种子计划”资助。iNeuraLS系统的目标是为虚拟和增强现实平台以及用于机器学习的人工智能提供帮助，实现通过实时提取脑部信号和其他生理读数来确定人脑学习状态。

未来几十年，作战需求与风险将是推动脑机接口技术发展的关键。为满足该需求，研究人员需评估脑机接口和其他军事技术的潜在作战应用，利用兵棋推演探索脑机接口和其他前瞻性技术对未来战士的实用价值、潜在的新作战漏洞，以及减少这些漏洞的初步想法等；在脑机接口能力引入战斗之前，测试其在非战斗场景中的故障，将有助于加强作战人员对脑机接口技术的信任并减少意外风险；在准备将脑机接口技术纳入未来的军事能力之前，应制定规划确保该技术的顺利推出和执行，以解决从研发到作战应用的伦理和政策问题。

脑机接口技术的未来在军事领域的发展与应用方向，概述如下：远程离岸无线评估将成为从人脑传输数据的一个潜在前沿领域，指挥官借此可从很远的距离对其士兵甚至敌人的状态进行评估，与此相类似，脑机接口也可用于对一个小组的评估进行汇总，但目前没有对该技术进行概念验证；目前脑机接口在修复术方面的工作包括将现有的神经元重新连接到物理系统，要控制从未存在过的假肢及相关神经元则更具挑战性，关于向大脑传输数据，最终目标是直接向大脑提供高保真信息（如孤立的记忆植入等）；脑机接口的未来前景是与物联网（IoT）的整合，通过互联网将系统连接起来，物联网具有战术应用前景，包括使作战人员访问传感器和数据，而脑机接口则可以强化这种能力[17]。

图5 美军“个性化神经学习系统”（iNeuraLS）项目

5 结束语

人机混合智能作为人工智能2.0的一个重要方向，是一种新型智能形式，它不同于人类智能，也不同于人工智能，是一种跨越物种、属性结合的下一代智能科学体系。人工智能时代一个最重要的特点是“人和机器共生”：过去人和机器的关系是单向的，机器是“奴隶”，百分之百服从人类；但在人工智能时代，人和机器的关系是双向的，机器是“伙伴”，它具有感知、学习、推理和决策能力，既要服从人类，又会影响人的决策。人机混合智能旨在通过人机交互和协同，提升人工智能系统的性能，使人工智能成为人类智能的自然延伸和拓展，通过人机协同更加高效地解决复杂问题，具有深刻的科学意义和巨大的产业化前景。

总的来看，军事人机混合智能将会从思想、技术和应用模式上对现代和未来军事作战产生全面影响。目前已在三个方面展现效用：一是智力会超越体力、信息的有效协同成为决定战争胜负的首要因素；二是无形的（不战）监控取代残酷的（激战）摧毁成为征服对手的首选途径；三是在体系作战中，人机融合产生出的集智作用有可能超过集中火力和兵力的作用。对“人”而言，“机”就是延伸自我的一种工具，同时也是认知自我的一种手段，通过机的优点来了解自己的缺点，通过机的缺点来明了自己的优点，然后进行相应的补偿或加强。

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Survey of Human-Machine Hybrid Intelligence in 2020

ZHANG Junhui1, ZHANG Huanhuan2

(1. College of Transportation, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.Innovation Center, China Academy of Electronics and Information Technology of CETC, Beijing 100041, China)

Human-machine hybrid intelligence is regarded as a novel form of intelligence, which is the next generation of intelligent science system across the combination of species and attributes. In this paper, the latest research and application of human-machine hybrid intelligence are reviewed. This paper firstly introduces the research development and installation procedure of intelligent exoskeleton equipment in major military powers. Then this paper reviews the applications of Virtual Reality (VR) and Augmented Reality (AR) technology in the U.S. military services. Finally, this paper discusses the influence of brain-computer interface technology on military applications and influence. The survey shows that, the combination of human intelligence and Artificial Intelligence (AI) becomes the most efficient way to solve the problems of complex tasks by improving the performance of human and system integration through human-machine cooperation. The emergence of the concept and application of human-machine hybrid intelligence provides a feasible way to solve military intelligence problems, which will have a deep impact on modern and future military operations in terms of ideas, technologies and application modes.

Human-Machine Hybrid Intelligence；Artificial Intelligence；Military Application；Exoskeleton Equipment；Virtual Reality；Augmented Reality；Brain-Computer Interface

TP183

A

2096–5915(2021)02–20–06

10.19942/j.issn.2096–5915.2021.2.014

张俊辉，张欢欢. 2020年人机混合智能技术发展综述[J]. 无人系统技术，2021，4(2)：20–25.

2021–01–05；

2021–03–02

国家重点研发计划项目（2017YFC0820503）

张俊辉（1986‒），男，博士，主要研究方向为智能交通系统、交通知识图谱。

张欢欢（1993‒），女，硕士，助理工程师，主要研究方向为信息处理、大数据共享交换、人工智能等。