撞破墙壁，像超人一样在空中飞行，仅凭意念就能轻松控制一套极其复杂的机器人盔甲。哦，还能近乎不死不灭。
这就是漫威漫画中的角色——钢铁侠。漫画的全名其实是《钢铁侠》，这似乎暗示了他应该拥有的超能力。但“无敌”是一个相当高的要求。基本上，钢铁侠就是一个非常非常聪明的人——好吧，他是个天才——穿着一套超级高科技的盔甲。
钢铁侠的故事起源，就像所有漫画角色一样，经过多年的修改、重述和重塑，但基本理念是：工业巨头托尼·斯塔克被坏人绑架了。坏人知道（全世界都知道，因为托尼·斯塔克确实是个天才、杰出的发明家，也是一个庞大的国际集团的领导者）他能制造各种各样的装置。在这一时刻，他从一个只关心军火制造利润的资本家，转变为穿着钢铁战衣的超级英雄、复仇者联盟的创始成员——钢铁侠。
钢铁侠属于那种被认为“可能存在”的少数超级英雄。这是他吸引力的关键部分。看起来，你似乎可以直接穿上他的盔甲，然后就能飞来飞去。而且你也不是完全错的：虽然我们还不能用能量炮，但钢铁侠的某些特征是基于我们今天已有的神经科学、机器人技术、生物医学工程和运动学的概念的现实延伸。
自1963年该角色首次亮相以来，已经出现过几十套战衣，但我们不妨暂时认为，2005-2006年《钢铁侠》故事线中的“极端”战衣，最接近与人类身体内部结合的现实。在这个故事中，“极端”程序创建了一种放大的神经网络，使托尼能够与他的战衣连接，并直接接入控制卫星和远程计算机。这套战衣比《钢铁侠》电影中看到的更先进，因为它不再仅仅是衣服，而是身体的一部分。通过“极端”技术，托尼·斯塔克始终将战衣的神经接口带在身边，作为一层电子设备，位于他皮肤之下。托尼和钢铁侠战衣在生物学上是整合的。他实际上是一个赛博格。
意念化为行动
这个概念在多大程度上是可实现的？而穿戴（或成为）钢铁侠战衣的人会有怎样的体验？
回答这些问题，我们将进入一个迷人的领域——神经假体学。神经假体是植入或用于人体以增强感官能力，有时甚至是认知能力的设备。它们包括用于增强视听的视网膜和耳蜗植入物，用于缓解疼痛的脊柱植入物，以及用于辅助膀胱控制的植入物。还有一些正在开发中，用于通过简单的思考来控制机器人肢体移动物体。这些尚处于起步阶段的发明，有望帮助截瘫、四肢瘫痪以及其他行动严重受限的人。
大多数神经假体能检测到人体的神经系统信号，并将其传递给设备内部的电子控制器。生物信号可以是神经信号，也可以是肌肉的电活动，通过皮肤上的电极或植入肌肉的电极来检测。这样，神经假体的控制器就真正地连接到了神经肌肉系统。人体的指令可以传递给设备，使其完成预期的功能，以替代丧失的功能。
大脑接口如何控制机器？第一步是从大脑活动中获取信息。一种选择是脑电图（EEG）。神经元的活动会产生电场电位，可以用头皮上的电极来测量。大脑活动会随着你的行为而改变，虽然这有点复杂，但EEG信号可以被过滤、分析，并用作计算机和机器人设备的控制信号，从而创建一个脑-计算机接口（BCI）或脑-机接口（BMI）。
在临床神经科学领域，利用大脑的运动指令已被用来帮助患有某些神经系统疾病的人。肌萎缩侧索硬化（ALS）是一种可怕的疾病。在ALS患者中，控制运动的脊髓下部运动神经元会逐渐死亡。在这个过程中，患者会逐渐虚弱，最终瘫痪，只有当控制呼吸肌肉的运动神经元死亡时才会死亡。
为了试图缓解疾病的影响，科学家和临床医生可以训练ALS早期患者使用EEG信号来控制电脑光标。让像这样的简单设备普及，一直是医生和神经科学家Jon Wolpaw的毕生追求。自20世纪90年代初以来，Wolpaw和他在纽约州卫生部奥尔巴尼分部Wadsworth中心的团队一直在研究一种基于EEG活动的脑机接口系统，该系统通过一个装有电极的简单弹力帽来记录头皮的脑电图。
最近，该团队开发了一种可以带回家的BMI。该接口在用户观察对应于标准PC键盘的电脑显示屏时，会记录大脑活动。通过BMI，用户仅凭大脑活动就可以在屏幕上移动光标，选择字母来拼写单词。目前，一些接近完全瘫痪的ALS患者正在使用Wadsworth设备。
钢铁侠系统和基本的脑机接口之间有一些很大的相似之处。两者都涉及从大脑活动中提取运动信息，然后将其处理成控制设备的指令。迄今为止，最复杂的BMI是让猴子通过大脑活动控制的机械臂来自己吃橙子。人类研究尚未达到如此复杂的水平。我们离通过大脑信号远程控制一套机器人盔甲还有很长的路要走。
对盔甲过敏？
Jon Wolpaw指出了一个我认为对于将钢铁侠盔甲这样复杂的机器与人脑和神经系统的复杂性相结合至关重要的问题。这个问题不仅仅是达到某种程度的控制，而是实现*持续*的控制。根据Wolpaw的说法，所有方法，无论是侵入式（电极植入大脑内部）还是非侵入式（头皮电极），都存在同样的问题：令人不安的不可靠性。“控制可能在某一天——或者某个三分钟时段，甚至是某一次尝试——非常好，而在下一次则很糟糕，”他说。“BCI使用的正确概念不是读心术，而是技能发展。”它就像任何其他技能一样，只不过它是纯粹通过大脑活动开发的。“问题在于，这项技能不像通常的基于肌肉的技能那样稳定，”Wolpaw补充道。“其根本原因很可能是BCI的使用方式与正常情况截然不同。中枢神经系统是为了控制肌肉而进化和塑造的，一生都是如此。BCI要求它去控制特定皮层区域的信号，这是一个重大的方向性转变。”
另一个挑战是钢铁侠战衣的复杂性。到目前为止，所有BMI研究都使用了非常简单的任务，并且参与者一次只专注于一项任务。这是“相当人为的，因为我们很少会如此关注简单的运动任务，”匹兹堡大学康复医学系的Doug Weber说道，他是该领域的另一位顶尖科学家。“没有人真正研究过在用户同时执行其他任务时，BMI的性能如何变化。多任务处理至少需要BMI控制的一部分能够被无意识地执行。”
最重要的是，当用户第一次连接到钢铁侠战衣时，他们可能会在几小时内学会做一些简单的事情，比如张开或闭上一只手。完成像站起来和走路这样更复杂的事情需要多长时间？借鉴脊髓损伤或中风后的神经康复基准，合理估计大约需要三个月的时间来训练，才能以正常速度的一半左右在约30英尺的空间内缓慢站立和行走。当我们想到漫画和电影中的场景时，这确实令人沮丧。拿起战衣，穿上，连接，然后跑开，这根本是不可能的。
另一个考虑因素是神经系统/电极连接的完整性。将技术与生物学相结合非常困难。根据最先进的动物实验，似乎只有大约50%的植入电极可以被有效利用。其中，由于一种称为胶质增生或反应性胶质增生的过程，有效性会随着时间的推移而显著降低，这是一种与免疫排斥相关的神经系统瘢痕形成。
马里兰大学的Jennie Leach及其同事描述了人体对植入神经假体的反应，首先是快速的急性反应，其特点是炎症和所谓的“小胶质细胞活化”。小胶质细胞是大脑和脊髓中的保护性免疫反应细胞。它们是一种巨噬细胞，意味着它们会攻击和消化神经系统中的入侵者和异物，并且是大脑和脊髓中第一也是主要的活跃免疫反应形式。如果入侵者无法被消化，小胶质细胞会将其包裹起来，使其无法造成伤害。这种反应会变成慢性，导致在植入物周围形成几乎坚不可摧的胶质或纤维化瘢痕。
要实现像钢铁侠战衣所需的全面脑机接口那样稳定、持久的植入物，还有很长的路要走。更重要的是，让大脑承受托尼经历的那种持续的头部创伤——撞到汽车上、被铁霸王击倒、撞到巴士上，以及被炸弹炸伤——这真的不是长期成功的良方。
钢铁人生
最终，要使一套钢铁侠盔甲有用，它必须基于“极端”故事情节中所暗示的脑机接口。它必须能够自动响应，而无需有意识地发出指令。这将释放出大脑处理更具挑战性任务和环境所需的神经资源。用户还必须经过高度训练，并处于最佳状态。
钢铁侠项目的开发需要比我们目前的技术有实质性的进步。制造一套带有铰接式装甲的系统的技术已经存在。托尼·斯塔克或任何想要追随他脚步的人，需要大约两年时间来改编这项技术，以制造出我们在钢铁侠身上看到的全身盔甲。再需要大约四年时间来加固和减轻战衣的重量，然后将其整合到一个完全可移动的被动系统中。这样的系统会像中世纪骑士的盔甲一样移动，但要自由得多。
接下来，提供钢铁侠打击犯罪所需的功能，将需要对盔甲进行动力化和能源化。原型开发还需要四年时间。即使改进的盔甲完成后，其用户也会遇到一个主要问题：目前这种方法的行业标准是使用液压执行器（想象一下叉车），它们非常沉重。所以托尼必须让盔甲更轻，电机更小、效率更高。在未来十年内，托尼开发他的战衣的一个关键重点将是实现全动力盔甲运动控制电机的微型化。
接下来的步骤将涉及战衣与神经系统之间略微更具侵入性的整合。首先是通过使用托尼自己的神经信号来触发战衣的运动，从而实现稳定的运动控制。现有的神经假体并不足够。要达到钢铁侠的能力，需要改进神经信号的处理，这大约需要三到四年。
然后，托尼将不得不克服与测量肌肉活动相关的延迟和控制问题。托尼将改用直接的大脑指令来移动战衣，这需要一个合适的脑机接口。基本技术已经存在，但通常涉及到头皮上的表面电极。它们只提供有限的二维（例如，上下、左右）运动控制；它们只能用于控制漫画书页上移动的纸一样薄的钢铁侠。
为了在三维空间中运行，托尼将需要花费另外五年时间来改进对大脑输出作为控制信号的理解。然后，他很可能会尝试使用内容最高的信号：直接的、单细胞神经元记录。这项技术的基本版本现在已经可用，但它主要限于控制猴子研究中的简单手臂运动。在这五年里，除了对神经元记录的大脑输出有更深入的了解外，还需要提高从人脑记录的安全性的长期保障。
此时，钢铁侠仍然只能执行基本的行走、举重和击打动作，而且只有在托尼全神贯注、完全专注于手头的任务时才能做到。还有更多的工作要做。
[本文最初以“Becoming Ironman”的标题出现在印刷版上。]
