DOW-UAP-D130: שליטה במכשירים חיצוניים ללא ממשקים המופעלים בגפיים - סקירת ממשקי מוח-מכונה

קובץ: DOW-UAP-D130_AAWSAP-DIRD-Technological-Approaches-to-Controlling-External-Devices-March-23-2010.pdf סוכנות מקור: סוכנות הביון הביטחוני (DIA), משרד ההתרעה הביטחונית (Defense Warning Office), במסגרת תוכנית AAWSA סוג מסמך: מסמך ייחוס מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document, DIRD) בסדרת "Acquisition Threat Support"; מספר בקרה DIA-08-1003-012 תאריך: 23 במרץ 2010 (תאריך סגירת המידע, ICOD: 1 בדצמבר 2009) סיווג: UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY (הסימון FOR OFFICIAL USE ONLY מחוק בקו בכל עמוד; שוחרר לציבור ב-2026) מספר עמודים: 36 VIRIN: 260918-D-D0360-1119 שחרור PURSUE: 6

תקציר

DOW-UAP-D130 הוא אחד ממסמכי הייחוס המודיעיניים (DIRD) שהופקו עבור תוכנית AAWSA של סוכנות הביון הביטחוני (DIA). כותרתו המלאה היא "Technological Approaches to Controlling External Devices in the Absence of Limb-Operated Interfaces" (גישות טכנולוגיות לשליטה במכשירים חיצוניים בהיעדר ממשקים המופעלים בגפיים), ונושאו הוא מה שמכונה היום ממשק מוח-מכונה (brain-machine interface, BMI): הפעלת מכונה באמצעות מחשבה, או באמצעות אותות עצב ושריר, במקום באמצעות היד. המחבר מופיע רק בכינוי המושחר AAP Person 73.

זוהי סקירה טכנולוגית שמצורפת לה תחזית. המסמך מציב רף ביצועים קונקרטי, יותר מ-5 עד 10 ביטים של מידע בשנייה וזמן תגובה של 300 מילישניות לכל היותר לבחירת פקודה אחת מתוך N, ומודד מולו כל שיטה: EEG מהקרקפת, MEG, EMG המבוסס על שרירים, fMRI, ספקטרוסקופיה בתת-אדום קרוב (NIRS), מערכי אלקטרודות מושתלים בקליפת המוח, שתלים בעצבים היקפיים, גירוי אופטי ורקמה עצבית שגודלה על שבבים.

פסק הדין כפול. בטווח הקרוב, חיישנים חשמליים לא-פולשניים שקוראים בעיקר אותות שריר ישלטו בשימושים המעשיים. בטווח הרחוק, שליטה אמיתית ברוחב פס גבוה תחייב חיבורים פולשניים ודו-כיווניים ברמת תא עצב בודד, בקליפת המוח או במוח הקטן. המסמך אינו מזכיר עב"מים או תופעות אוויריות בלתי מזוהות (UAP) בשום מקום.

מאמר מחקר

סקירה במדעי המוח בתוך תוכנית תעופה וחלל

השער מזהה את המסמך כ-DIRD בסדרת "Acquisition Threat Support", מתאריך 23 במרץ 2010, עם תאריך סגירת מידע (ICOD) של 1 בדצמבר 2009 ומספר בקרה DIA-08-1003-012. הוא הוכן ("Prepared by") על ידי אגף תמיכת הרכש (Acquisition Support Division, DWO-3) במשרד ההתרעה הביטחונית, במנהלת הניתוח (Directorate for Analysis) של ה-DIA. ההערה המנהלית בעמוד 2 מגדירה אותו "one in a series of advanced technology reports produced in FY 2009" (אחד מסדרת דוחות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2009) במסגרת תוכנית AAWSA, ומפנה הערות ושאלות אל AAP Person 1, מנהל תוכנית AAWSA ב-DIA, בכתובת "ATTN: CLAR/DWO-3, Bldg 6000, Washington, DC". אזהרת זכויות יוצרים אוסרת הפצה נוספת של התצלומים שבמסמך.

המבנה שגרתי: מבוא בן שני עמודים, רקע על אותות עצביים, סקירה של טכנולוגיות לא-פולשניות ופולשניות, דיון בן חמישה חלקים ומסקנות באורך עמוד וחצי, עם 13 איורים ו-60 מקורות. (מספרי העמודים כאן הם מספרי עמודי ה-PDF; בגוף המסמך המספר המודפס נמוך בשש.) מבין שנים עשר התחומים הטכניים בהצהרת היעדים של AAWSAP, המסמך שייך בבירור לתחום "ממשק אדם" (human interface), ובמידה משנית לתחום "שליטה" (control). נגיעותיו בתעופה ובחלל אגביות: מערכת EMG ש"could be used to untie a pilot from the cockpit" (יכולה לשמש לשחרור טייס מתא הטייס, עמוד 15), הערה שהמקור הקר והריק של יישום בחלל עשויים להקל על דרישות הקירור של MEG (עמוד 14), ו"מערכת ייצוב רקטה ב-12 כיוונים" היפותטית שמשמשת להמחשת בעיית פענוח (עמוד 19).

היעד: 5 ביטים בשנייה, 300 מילישניות

המבוא מגדיר את נקודת הסיום: הפעלה מבוססת מחשבה של מכונות מרוחקות במהלך פעילות אנושית רגילה, בלי מגע במכשיר מכני, בלי חדר ממוגן, בלי צורך לשבת ללא תנועה ובלי מכשיר כף יד עם כפתורים. "רוחב פס גבוה" פירושו קצב נתונים העולה על 5 עד 10 ביטים בשנייה (עמוד 5).

הרקע מסביר מדוע זה קשה. פוטנציאל פעולה (action potential) של תא עצב נמשך 1 עד 10 מילישניות, ותא עצב יורה לכל היותר בתדר של 100 הרץ עד 1 קילוהרץ; מעגלים מתכתיים, לעומת זאת, מהירים "about a million times" (בערך פי מיליון) מן המערכת הביולוגית, ופער זה מנע עד כה המצאה של חיבור ישיר בין שתי המערכות (עמודים 7-8). קליפת המוח החדשה (neocortex) עבה כ-2.5 מילימטר, ואפילו מצמוץ עין כרוך בהעברת אותות דרך מיליון תאי עצב (עמוד 9). שיטות לא-פולשניות רואות רק קבוצות גדולות של תאים הפועלים בתיאום. אות ה-P300 המוכר מופיע כ-300 מילישניות אחרי גירוי, ותגובת חמצון הדם (BOLD) שמודדים fMRI ו-NIRS מגיעה לשיאה 4 עד 6 שניות אחרי האירוע, איטית מדי ליעדי המסמך (עמודים 9-10).

המסמך מביא גם נקודות ייחוס: הצבעה באצבע מעבירה כ-14 ביטים בשנייה, עכבר כ-8, והקשה בעט על מקלדת QWERTY רכה במחשב כף יד (PDA) כ-5 (עמוד 12). הוא מעלה שאלה מעשית שנשכחת לעיתים קרובות: לאדם בריא תנועת יד פשוטה יותר בדרך כלל, ו-BMI מצדיק את עצמו בעיקר כשהידיים והרגליים כבר עסוקות במשימות אחרות. הוא מציין את המגבלה הקוגניטיבית על פיקוח בו-זמני על כמה מערכות חצי-אוטונומיות, ומשער שאימון-יתר דרך מסלולים במוח הקטן (cerebellum) עשוי להפוך את השליטה לכמעט אוטומטית (עמוד 12).

שיטות לא-פולשניות: EEG, MEG, EMG, fMRI ו-NIRS

EEG, שתואר לראשונה ב-1929, סוכם את פעילותם של כ-50,000 תאי עצב (עמודים 12-13). התוצאות הטובות ביותר הושגו אצל חולי ALS, שהשיתוק שלהם מסלק רעש שרירי, וגם שם ביצוע פקודה נמשך שניות. המסמך ספקני בגלוי כלפי מכשירי הצרכנים של 2009: מערכות NeuroSky ו-Emotiv חסרות ספרות שעברה ביקורת עמיתים, מה שמעורר ספק אם נמדדים בהן אותות עצביים כלל, ואילו ה-NIA של OCZ מודה שהוא קורא תערובת של EEG, EMG ואותות שרירי העין (עמוד 13). איור 3 מציג את ה-MindSet של NeuroSky ואת ה-nia של OCZ. מערכת שנבדקה בביקורת עמיתים, עם שש אלקטרודות יבשות, הגיעה לדיוק של 90 אחוז בהזזת סמן חד-ממדי, ושתים עשרה אלקטרודות עשויות להוריד את שיעור השגיאה לכ-5 אחוזים (עמוד 14). במקום אחר המסמך מעמיד את EEG על 20 עד 30 ביטים בדקה, פחות מ-0.5 ביט בשנייה (עמוד 20).

MEG נפסל לשימוש בשטח: השדות המגנטיים של המוח, כ-100 פמטוטסלה, קטנים בערך פי 100 מיליון מן השדה המגנטי של כדור הארץ (עמוד 14). EMG, שמשתמש בשרירים כ"מגבר ביולוגי של אותות עצביים", הגיע ל-1 עד 2 ביטים בשנייה באימון מזערי, בערך פי ארבעה מחיישן EEG מצחי שנבדק לשם השוואה (עמוד 15). fMRI מציע רזולוציה תלת-ממדית שאין לה מתחרה בין השיטות הלא-פולשניות, אך האות שלו מפגר בשניות; המסמך רואה בשילוב של MRI בשדה נמוך עם MEG "a long term prospect, likely in the 20- to 40-year timeframe" (אפשרות ארוכת טווח, ככל הנראה בטווח של 20 עד 40 שנה, עמוד 16). החלטות NIRS בניסיון בודד הגיעו לדיוק של 80 אחוז בלבד (עמוד 16).

שיטות פולשניות: מערכים, שבבים עצביים, למפרי ומתנדבים אנושיים

הסקירה הפולשנית מתחילה בשתל השבלול (cochlear implant): 22 אלקטרודות, כ-100,000 משתמשים ויותר מ-30 שנות פיתוח, וממשיכה למערכי אלקטרודות בקליפת המוח (עמודים 16-17). פענוח בלולאה פתוחה (open-loop) נתקל בבעיה יסודית: האלגוריתמים לומדים מן האופן שבו המוח מזיז זרוע אמיתית, ולכן פענוח פקודות למכשיר שהמוח מעולם לא הפעיל קשה בהרבה (עמוד 19). עבודה בלולאה סגורה (closed-loop) מודגמת ברובוט דמוי האדם CB-i, ששחזר בזמן אמת את תנועות ההליכה של קוף על הליכון באוניברסיטת דיוק (Duke University), לאחר שהנתונים המפוענחים הועברו ל-Advanced Telecommunication Research ביפן (איור 4, עמודים 19-20).

המסמך סוקר "Neurochip" במשקל 56 גרם המופעל בסוללה, עם 12 אלקטרודות מיקרו-תיל בקליפה המוטורית של קוף (עמוד 21); ניסויים שהראו כי השכבות התחתונות של קליפת המוח מקודדות מידע על כיוון טוב יותר (עמודים 22-23); מערכי מיקרו-תיל התואמים MRI, שקלטו פעילות ב-12 מתוך 16 אלקטרודות במשך שישה שבועות בלי נזק רקמתי מובהק (עמודים 25-26); ומערכות היברידיות שבהן גזע המוח של למפרי (lamprey), בעל חוליות קדום חסר לסת, היגה רובוט קטן על גלגלים לעבר מקור אור (איור 12, עמודים 26-27).

בנוגע לניסויים בבני אדם המסמך ישיר בשאלת האתיקה: מתנדבים "would likely have difficulty understanding all of the risks involved" (יתקשו ככל הנראה להבין את כל הסיכונים הכרוכים בכך). הוא מביא את מקבל מערכת הראייה המלאכותית מהדור השני, ששמו מאוית במסמך "Jans Naumann", שמודה כיום שלא הבין את הסיכונים ושוקל להסיר את השתלים; הערת שוליים מציינת שההליכים בוצעו בליסבון "to avoid U.S. prohibitions against implant surgery" (כדי לעקוף איסורים אמריקאיים על ניתוחי השתלה, עמוד 28). חולי אפילפסיה עם רשתות ECoG זמניות הזיזו סמן תוך 1 עד 2 שניות בדיוק של עד 75 אחוז; קטועי גפיים שעברו העברת עצבים (reinnervation) בחרו תנועה אחת מתוך 10 בפחות מ-170 מילישניות; ואדם בריא שהתנסה על עצמו השתמש בשתל בעצב המדיאני במשך שלושה חודשים ב-2002 (עמודים 28-29).

התחזית: 5 שנים, 20 עד 40 שנה, 30 עד 40 שנה

הדיון מקבץ את הכול לחמישה תחומים. התחזית לטווח הקרוב מסחרית: חיישנים שעיקרם EMG, בדחיפת שוק המשחקים, "in the next 5 years" (בחמש השנים הקרובות, עמוד 30). מכשירים המבוססים על EEG בלבד לאנשים בריאים "unlikely in the next 5 years" (אינם צפויים בחמש השנים הקרובות), והמסמך מציע מבחן להתקדמות: זיהוי לא-פולשני של קבוצה מתואמת של פחות מ-10,000 תאי עצב (עמודים 30-31). MEG יחייב מיגון נייד שמנחית את הרקע "nearly 10 orders of magnitude" (בכמעט עשרה סדרי גודל, עמוד 32). בהשוואה לשתל השבלול, מסלול האלקטרודות המתכתיות רחוק 30 עד 40 שנה, אלא אם תבוא פריצת דרך משבשת (עמוד 32).

ההימורים לטווח הארוך הם גירוי אופטי, "ערוץ מידע דו-כיווני מלא" ללא מגע אל תאי עצב בודדים, ושבבי אלקטרודות עטופים ברקמה עצבית שגודלה מחוץ לגוף (ex vivo), כך שהמגע בשתל יהיה "ביולוגי לביולוגי" (עמודים 32-33). המסקנות מציבות יעד של 5 עד 20 ביטים בשנייה לטווח הרחוק ומצביעות על המוח הקטן כנקודת חיבור שתהפוך את המכשיר החיצוני, מבחינת המוח, לחלק מן הגוף (עמוד 34).

מה המסמך אינו אומר

אין במסמך כל התייחסות לעב"מים, ל-UAP, לכלי טיס לא-קונבנציונליים או להנדסה לאחור, ואין בו דבר על ממשק עם טכנולוגיה שאינה אנושית. אין בו גם מידע מסווג: כל המקורות הם ספרות גלויה מ-1929 עד 2009, ומקורות הרשת "last accessed 12 May 2009" (נצפו לאחרונה ב-12 במאי 2009). כדאי לשים לב לכמה קצוות פתוחים. יעד רוחב הפס זז בין 5 עד 10 ביטים בשנייה (מבוא), "the target 5 bits/sec" (דיון) ו-5 עד 20 ביטים בשנייה (מסקנות). ניסויי הלמפרי מצוטטים כמקורות 28 עד 30, אך מספרים אלה שייכים ברשימת המקורות למאמרי EEG ו-MEG, ככל הנראה טעות ציטוט. והתחזית שחיישנים יבשים מעטים "should surpass" (אמורים לעלות על) הממשקים המסורתיים בתוך חמש שנים אינה מתיישבת בקלות עם נתוני המסמך עצמו: 1 עד 2 ביטים בשנייה ל-EMG מול כ-8 לעכבר.

משמעות

D130 מראה עד כמה רחב הגדירה AAWSAP את תחום "ממשק האדם": תוכנית תעופה וחלל של ה-DIA הזמינה סקירת ספרות במדעי המוח. ערכו לארכיון הוא כתמונת מצב של מחקר ה-BMI המרכזי ב-2009, על נקודות הייחוס והסייגים שלו, וכראיה לכך שחלק ניכר מסדרת ה-DIRD לא עסק כלל בתופעות בלתי מזוהות. לוחות הזמנים שהוא נוקב בהם, חמש שנים להתקדמות מסחרית, 20 עד 40 שנה לשילוב MRI ו-MEG ו-30 עד 40 שנה לממשקי אלקטרודות, מעניקים לקוראים מאוחרים אמת מידה מתוארכת שמולה אפשר לבחון את התפתחות התחום.

אנשים מרכזיים

מקומות

מושגי מפתח

ציטוטים בולטים

"The technology endpoint this paper seeks is thought-based operation of remote machinery during normal human activities without mechanical device interaction..." (נקודת הסיום הטכנולוגית שהמסמך מבקש היא הפעלה מבוססת מחשבה של מכונות מרוחקות במהלך פעילות אנושית רגילה, ללא מגע במכשיר מכני.) -- עמוד 5

"The paper argues, mainly by eliminating other approaches, that the most probable technology in the long term involves invasive single-neuron-based direct cortical connections to form a network of high-bandwidth duplex communication pathways." (המסמך טוען, בעיקר בדרך של שלילת גישות אחרות, שהטכנולוגיה הסבירה ביותר בטווח הארוך כרוכה בחיבורים פולשניים וישירים לקליפת המוח ברמת תא עצב בודד, שייצרו רשת של ערוצי תקשורת דו-כיווניים ברוחב פס גבוה.) -- עמוד 5

"The Neurosky and Emotive systems claim proprietary processing algorithms, lack peer-reviewed literature supporting their claims, and even discuss using facial muscle movement to send signals (References 26, 27), raising doubt about whether neural signals are being measured at all." (מערכות Neurosky ו-Emotiv טוענות לאלגוריתמי עיבוד קנייניים, חסרות ספרות שעברה ביקורת עמיתים לתמיכה בטענותיהן, ואף מדברות על שימוש בתנועת שרירי הפנים לשליחת אותות, מה שמעורר ספק אם נמדדים בהן אותות עצביים בכלל.) -- עמוד 13

"...the fact that 100 fT is about 100 million times smaller than the Earth's magnetic field will prove an insurmountable barrier to sifting signal from noise in anything but a heavily-shielded, metal-free environment." (העובדה ש-100 פמטוטסלה קטנים בערך פי 100 מיליון מן השדה המגנטי של כדור הארץ תהיה מחסום בלתי עביר להפרדת אות מרעש בכל סביבה שאינה ממוגנת היטב ונקייה ממתכת.) -- עמוד 14

"Such a system could be used to untie a pilot from the cockpit." (מערכת כזו יכולה לשמש לשחרור טייס מתא הטייס.) -- עמוד 15

"It will thus be quite an issue in an open-loop design to develop an algorithm that can decode control signals for a system the brain has never controlled before, say a 12-direction rocket stabilization system." (לכן יהיה קשה למדי, בתכנון של לולאה פתוחה, לפתח אלגוריתם שיפענח אותות שליטה למערכת שהמוח מעולם לא שלט בה, למשל מערכת ייצוב רקטה ב-12 כיוונים.) -- עמוד 19

"If the 30-year advancement of cochlear is a realistic guide of innovation, the proximal electrical technology path to success is 30-40 years off save for a disruptive advance in the development of penetrating electrodes." (אם 30 שנות ההתקדמות של שתל השבלול הן מדד מציאותי לחדשנות, הרי שמסלול הטכנולוגיה החשמלית הצמודה רחוק מהצלחה 30 עד 40 שנה, אלא אם תבוא פריצת דרך משבשת בפיתוח אלקטרודות חודרות.) -- עמוד 32

"The cerebellar connection point is extremely interesting to perhaps provide a connection that would effectively make the external device a part of the body as far as the brain is concerned." (נקודת החיבור במוח הקטן מעניינת במיוחד, שכן אולי תספק חיבור שיהפוך למעשה את המכשיר החיצוני לחלק מן הגוף מבחינת המוח.) -- עמוד 34