驾驭未来

大多数动物，包括人类，都需要能够在周围的环境中导航，找到食物和水，回到避难所，并了解哪里有危险。这意味着我们的大脑非常擅长计算我们所处的位置。凯特·杰弗里(Kate Jeffrey)是伦敦大学学院的神经科学家，她向乔治亚·米尔斯(Georgia Mills)讲述了我们的大脑是如何做到这一点的……

凯特:当你在熟悉的环境中行走时，记忆是非常重要的。你以前去过那里，比如你从地铁站出来，那里是街道。你的大脑要做的第一件事是回忆，基于你现在所看到的，你上次在那里的地图，地图上有一个方向，一个你已经学过的指南针方向，然后你必须决定你要去哪里。地图上的某个地方是一个目标，比如，如果你想去酒吧或邮局之类的地方。所以你必须试着在你的记忆中回忆目标在哪里，然后规划一条从一个到另一个的路径。

乔治亚-这张地图在大脑中以什么形式呈现?

凯特:嗯，就像所有形式的知识一样，它基本上是神经元的活动。我们认为一些对空间特别重要的神经元是这些被称为空间细胞的东西，它们在海马体中被发现，海马体是大脑的一小部分，在耳朵后面的大脑深处——颞叶。当你走到一个特定的地方，这些神经元就会变得非常活跃。所以每个神经元都有自己活跃的地方，我们认为，这些神经元所做的是发出信号，告诉你你在一个特定的地方。通常这是一个你以前去过的地方，在这种情况下，它会是你上次去那里时活跃的同一个神经元。

乔治亚-好的。比如，当我走进厨房时，我的厨房神经元会亮起来吗?

凯特:没错，不过这不是一个神经元，而是很多。所以当你在厨房里走动时，这些神经元会一个接一个地活跃起来。这张地图分布在成千上万的神经元中——不仅仅是一个。但现在的难题是，一个活跃的神经元可能会告诉你你在哪里，但你如何表示你想去哪里?有没有另一张地图，如果有的话，你想去的地方的活动是什么样子的?所以我们还没有解决这个问题，这仍然是个谜。

乔治亚-除了这些位置细胞，当你在一个熟悉的区域时，它们会发光，还有更神秘的神经元，它们可以帮助你在任何空间导航，它们被称为网格细胞!

网格细胞是在内嗅皮层中发现的神经元，内嗅皮层是大脑的一部分，它将感觉器官的大部分皮质投射物发送到海马体等等，这些神经元因为这种投射而被研究。因此，人们认为，如果我们观察向位置细胞发送的信息，我们可能会对位置细胞如何知道老鼠或人类的位置有所了解。

人们发现，当老鼠进入特定的地方时，这些神经元也会活跃。但这些细胞不只是在一个地方，而是在多个地方，这些地方间隔均匀，排列规律。神经元本身是随机分布在内嗅皮层的，但活动的斑块是均匀分布的。如果你没有看到神经元，很难想象这意味着什么，但是，当老鼠进入一个特定的地方，一个网格细胞就会活跃起来。如果老鼠向北走30厘米，这个细胞就会再次活跃起来。老鼠再向北走30厘米，这些细胞又变得活跃起来。如果你画出这个神经元喜欢放电的所有地方，你会发现它形成了一个非常规则的模式。所以这是一个非常了不起的发现。

这是一种我们在一百万年里都无法预测到的东西，但是，一旦它被发现，它就立刻就位了——啊哈，这就是位置细胞知道老鼠走了多远的方式。它利用这些网格细胞，这些网格细胞在老鼠行走时开关，开关，开关，这就是位置细胞知道老鼠走了多远的方式。现在我们试着弄清楚这一切到底是怎么回事。

乔治亚-是啊，太不可思议了。我假设不管老鼠跑得多快或多慢，它们似乎都能知道距离。我们知道这些神经元是如何持续发光的吗?

凯特:还没有。有很多理论，你说得很对，这与老鼠走得多快或多慢无关，所以细胞能够根据它们知道老鼠走得多快来解释传入的感觉信息。所以，在大脑的某个地方有一些神经元在计算老鼠的速度，所以现在正在寻找这些神经元在哪里。它们可能在内嗅皮层;有一些证据可以证明这一点，但接下来的问题是，他们怎么知道老鼠走得有多快?有很多可能的方式:从视觉世界和它通过眼睛的速度，从老鼠的动作，腿移动的速度，等等。为了计算，需要整合很多信息。

乔治亚州——事实证明，我们的大脑可以在我们移动的时候在我们的环境中分层网格——非常令人印象深刻。但是，随着我们对智能手机和卫星导航系统的依赖，我们的导航中心，我们的海马体，会萎缩甚至死亡吗?

凯特:这是一个非常好的问题。它真的是使用它还是失去它?所以我认为现在回答这个问题还为时过早。我的直觉可能不是，因为海马体非常忙。你一直在使用它，只是在家里走来走去，即使你不需要你的手机和GPS或任何东西。你仍然需要你的海马体来知道你在家里的位置;我怎么从卧室到浴室等等，所以它总是很忙?

也许现在不像过去我们在森林里航行时那么繁忙了。这很可能是真的，但另一方面，我们通过看电视、玩虚拟现实游戏等其他方式刺激大脑。所以我认为我们不会变成一种衰老，大脑受损，无法正常工作的人。我想我们会适应的;我认为，我们总是在适应，技术总是最终丰富了我们的生活。

这些天，可能严重依赖GPS。这代表全球定位系统，但我们有多少人真正知道它是如何工作的呢?它实际上是由美国国防部创建的，是全球卫星导航系统(GNSS)的几个分支之一。特里·摩尔是诺丁汉大学的卫星导航教授，他让乔治娅·米尔斯加快了世界各地的卫星如何告诉我——以及我的智能手机——我在哪里……

特里:你是根据卫星来定位的。现在有一种普遍的误解，这种误解有时被媒体、电影和其他东西所普及，那就是它是一个跟踪系统——那种“天上的间谍”一直在监视着你!当你想到，目前，世界上有四十亿接收器，所以很明显它不是这样工作的!

所以，发生的事情是，信号离开卫星，它们被向下传输，就像收音机或电视上的无线电信号一样。所以它们只是发射器信号，然后你的智能手机或汽车上的卫星导航系统接收这些信号。而我们实际上所做的一切都是基于时间。所以卫星有非常精确的时钟，它们传输编码信号，基本上说信号何时离开卫星。你智能手机里的接收器所做的就是计算信号到达的时间，通过知道信号到达和离开的时间，我们可以用光速计算出距离。所以，通过测量到所有这些不同卫星的距离，我们可以做一些几何运算，算出我们在哪里。

乔治亚-对。所以我想时钟准确是很重要的?

泰瑞:嗯，这是一个非常巧妙的技巧。因为，如果我们想想光速，如果我们回到光速，我们想想我们每天使用的东西——一张A4纸。光从一张A4纸的一端传播到另一端只需要一纳秒——十亿分之一秒。

所以如果我们想要定位和测量距离，比如说一米，那么我所说的所有时间都需要同步到3纳秒——十亿分之一秒。所以我们必须在卫星上安装时钟，在你的手机上安装时钟，它们都要同步——这听起来不可能。现在我们可以在卫星上得到很好的同步，因为它们使用非常精确的原子钟，它们一直受到监控，所以我们知道它们处于稳定的时间基础上。

乔治亚——根据爱因斯坦的说法，时间是相对的。那么你如何处理这样一个事实时间在空间中是如何向外移动的它可能与在这里的移动方式不完全相同?

Terry:是的，这是非常重要的一点，它被设计到系统中。我们必须从两个方面考虑相对论，因为这些时钟，正如我们说过的，卫星以每秒4公里的速度飞行。这就产生了狭义相对论效应，时间看起来变慢了。但是时钟在一个不同的引力场中飞行，一个比地球表面小得多的引力场，所以我们得到了广义相对论的修正，这使得时钟看起来跑得更快。所以把狭义相对论和广义相对论结合起来，我们会得到卫星上时钟上的错误时间。

所以实际上它们是以错误的速率运行的。我们似乎让它们以我们预期的速度运行，但它们被故意扭曲了，所以它们以不同的速度运行，这样当我们看到它的时候，我们看到的是正确的速度——如果这有意义的话。

乔治亚-不用太深入物理，是的。就卫星而言，有多少卫星在那里，它们能持续多久?

特里:它们的设计寿命大概是，比方说，7到10年。它因星座和航天器的不同而不同，但大约7到10年的年龄是一个很好的数字。

你需要多少?这取决于卫星离我们有多远。我们用在GPS上的卫星，欧洲的伽利略卫星，俄罗斯的格洛纳斯卫星，它们都在地球上空2万公里处，我们称之为中地球轨道。那么，你需要多少呢?

嗯，你需要大约24、27、30颗卫星，不同的星座是它们的关键数字。现在，全球定位系统，目前有31颗不同年代不同年龄的卫星，它的人口有点过剩因为一些老卫星已经相当老了它们的寿命即将结束。所以那里有新的卫星，以防旧的出现问题。

乔治亚州——我想八到十年对我来说并不是很长，因为你真的要把东西送入太空。我是说谁来买单?

泰瑞:是的，这是一个昂贵的行业。所以这取决于你在哪里，谁来买单。如果我们说的是全球定位系统，那么在过去的30多年里，美国纳税人一直非常慷慨地为我们提供服务。GPS是由美国拥有和运营的，它是一个军民两用的系统，但它是由美国空军太空司令部运营的，所以他们从美国联邦预算中获得资金，这就是支付系统的费用。而且，就像你说的，它很贵。发射一颗卫星可能要花费六七千万美元。

如果你在欧洲，那么你和我要为此付出代价。我们的税收用来支付伽利略计划，它是由欧盟委员会的预算或欧盟的预算支付的。目前我们每年要支付的账单是9亿欧元是欧洲预算之外的，用于伽利略系统的开发和部署。

格鲁吉亚-既然我们在欧洲已经可以使用GPS了，为什么我们还需要伽利略?

特里-欧盟对发展我们自己的系统非常感兴趣，这样我们就可以建造我们自己的宇宙飞船。我们正在建设地面部分，我们正在建设接收器部分，我们正在建设定位服务行业，所有这些都基于此，这些都是欧洲的工作。所以你可以基于市场渗透率进行论证。你可以就我们所说的主权控制进行辩论。

就像我说的，GPS是由一个国家拥有和操作的，那就是美利坚合众国它是作为一种军事力量的增强器。但现在它在我们生活的很多方面都很重要，包括定位和导航，还有时机。如果你还记得我之前说过的，当我们解决使用GPS的方法时，我们一直在解决时间问题，这意味着我们有一种非常精确的方法来传播时间。它现在被用于我们所说的关键基础设施，比如电信、银行、互联网、数字无线电，甚至都是基于GPS和其他卫星导航系统提供的定时。

但这一切都在另一个国家的控制之下，作为一种防御工具。因此，就关键基础设施的主权控制而言，我们需要掌握维护这些关键服务的系统。

俗话说，知识就是力量;如果你是海军的领航员船只以每小时70英里的速度移动，你需要在瞬间知道你在哪里，下一步要去哪里。但是，当这些船的驾驶舱被设计出来的时候，没有人知道通过电脑显示器和仪器呈现给导航员的信息是否容易与通过窗户看到的实际情况相结合。正如挪威皇家海军能力中心经理奥德·斯维农·哈雷德(Odd Sveinung Hareide)向克里斯·史密斯(Chris Smith)解释的那样，现在我们知道了。

奇数-所以像挪威海军轻型护卫舰这样的高速船只的领航员，被称为skjold级，要求很高，因为船上有很多设备。导航员坐在椅子上，在他面前有三个屏幕，在这些屏幕上他有电子海图，雷达，和所有类型的传感器通过系统反馈，所以这是一个复杂的工作环境。当然，他周围的世界移动得非常快，因为他的速度高达每小时70英里，他需要控制飞船始终处于正确的位置。所以他必须持续监控船的位置。

Chris:因此，一个人会看着窗外，将其与屏幕上的图表和雷达图像进行比较，并试图将所有这些信息快速地传递给那个人——男人或女人的大脑。当他们这么做的时候，你是怎么弄清楚他们在做什么?

收集这些信息的方法是眼动追踪眼镜，这是一种戴在导航仪上的眼镜。它看起来像老花镜——里面有摄像头，可以识别人看向哪里。如果他看向外面，你就会在外面击中如果他看向屏幕，你就会在屏幕上击中。我们在海上试验和模拟器研究中都这样做过。我们录了大约四个小时。

克里斯-出现了什么模式-人们看哪里，他们花大部分时间盯着哪里?

奇怪-这一直是海事界关注的一个问题，他们称之为playstation模式，即年轻的导航员倾向于依赖电脑屏幕上的信息，而不是向窗外看船的周围环境。所以我们担心的是，很多注意力都集中在船的内部和显示器上，但我们发现，实际上，导航员有65%的时间是在向外看，持续监测船的周围环境。但仍然有35%的时间是在看别的东西。

Chris:你能不能得到一种更精细的分析，比如说，如果我在手机上看地图，然后试图找出我是否在正确的地方。我可能会看手机，然后回头看看街道，再回头看看街道，看看我认为我看到的是不是我应该看到的。你能看到眼睛在设备和外部世界之间来回穿梭，看看人们获得信息和处理信息的速度有多快吗?

奇怪-当分析眼动追踪数据时，这是你可以得到的特征之一，我们称之为回望。例如，如果你观察内部的一些设备，然后再观察外部并扫描环境。也许你看了另一个设备，但你回头看同样的设备，这可能是能见度低的迹象。

Chris:因为设计这些用户界面和数据显示方式的人，通常不是这些飞行器的导航员或飞行员。他们是偶尔和他们一起工作的人，他们会提出一些他们认为符合目的的东西。但直到你真正让别人使用它，你才发现，事实上，它并没有达到应有的效果。

奇怪-你观察得很好，克里斯，我完全同意。很重要的一点是设计系统的工程师们通常都没有下过海。他们非常擅长设计复杂的系统，但他们从来没有坐在椅子上带领飞船前进。

Chris -你现在是否要关闭审计循环你有你的数据，你知道他们不看发生了什么因为他们看的是电脑屏幕，你知道什么时候发生的吗?那么你现在是否可以用它来优化驾驶舱的格式以及数据在电脑屏幕上显示的方式?

奇-是的。这个过程被称为以人为本的设计过程。所以我们现在对学员所做的是，我们让他们进行改造。现在我们已经收集了这些数据我们看到了一些需要调整的地方让导航器的工作更容易。在改造过程中，这是正在进行的，希望这将有利于他的导航员的工作。

最后，手机和开车的人受到了极大的关注，尤其是在英国。人们说这是因为它们使用起来非常复杂，非常繁琐，而且会分散人们的注意力。这是同样的问题，不是吗?

奇怪-这是完全相同的问题，这就是为什么我们需要更好地了解它应该如何工作，特别是将人类的设计变成技术，记住它们必须相互作用。

自动驾驶汽车能改变现状的原因有很多——它能带来改变让那些不能开车的人独立，大大减少拥堵和污染，也减少了交通流量。但是，我们面临着什么样的法律和道德挑战，这些汽车离成为现实还有多远?乔治亚·米尔斯和克里斯·史密斯与牛津大学的保罗·纽曼探讨了这些问题，从我们需要解决的技术试验开始。

Paul -想象一下，给一台电脑呈现一幅图像。图像实际上就是一串数字。

克里斯:这些数字是什么?

保罗-这些数字就是每一个像素。一幅画的每一个小元素都可以用三个数字来描述:有多少红色，有多少绿色，有多少蓝色。因此，通过写下三个数字的列表，我就可以对图像进行编码。

现在，当我们让一台机器去看的时候，在最基本的层面上，真正发生的事情是，给机器一个非常非常长的数字列表，每组三个，我们被要求说，那个人要过马路吗?

克里斯-我的大脑，保罗，知道怎么做，对吧。它做得很好。你的大脑做得非常好，所以有一个解决方案，尽管是一个神经元网络目前在我的大脑中做这件事。因此，以某种方式模拟这个过程一定是可行的吗?

保罗-所以我才有这份工作。因为这是存在性的证明，你知道，刺猬可以这样做。有一种观点认为，你可以研究神经系统是如何做到这一点的，然后对其进行逆向工程。还有另一个系统是你从头开始设计的。我处在一个奢侈的位置，我可以两者都相信。

现在发生了一些不同的事情。所以一个重要的问题是，为什么现在人们对机器学习和自动驾驶汽车如此兴奋?有什么不同?我认为有几件事。电脑游戏帮助了我们。有一种东西叫做gpu，即我们用来生成游戏中令人惊叹的图像的图形处理单元。有一些硬件是为这些机器开发的，这使得进行一种对机器学习非常有用的计算成为可能。

简单地说，机器学习就是，我要给计算机一大堆数据——图片，我可能会在这些图片中给刺猬和狒狒贴上标签。然后测试是机器能否学习一种方法，当看到另一幅图像时，它会说“那是狒狒”。

克里斯:但是这和我想要一辆不用自己开的车有什么关系呢?我可以坐在里面，它会带我去我想去的地方。

保罗:因为我们现在给机器编程，让它们学习，当遇到道路或汽车的数据时，我们不会坐下来给汽车探测器编程，我们给很多数据贴上标签，然后给算法编程，让它们自己学习给汽车编程。所以我们并没有明确地说如果一个红色像素挨着一个橙色像素，挨着一个镀铬，在一个看起来像轮胎的东西上面。我们永远不会那样做，因为如果汽车的角度改变了，你从侧面看，那就是另一回事了。它并不健壮。

克里斯-现在如果我以化学工程师的身份和你谈话我们在谈论我们想发明的某种新药，我问你这种新药要多久才能进入病人体内?通常的答案是5到10年。那么，关于自动驾驶汽车的普遍答案是什么呢?

保罗:我想在大约五年内，我们会开始看到一些看起来很有吸引力的东西。在以前的一些地方，但是我们必须小心这个系统是什么，它在做什么?

乔治亚——自动驾驶汽车可以改变很多事情——它可以给那些不能开车的人带来独立，它可以大大减少拥堵和污染，还可以减少事故。虽然这项技术还有很长的路要走，但前方还有其他挑战。例如，如果一辆无人驾驶汽车撞到你，谁该负责?Peter Lee是Wavelength.LAW的律师兼首席执行官。

彼得:在无人驾驶汽车领域有无数相关的法律问题——围绕隐私和它们与公共公路的融合，但也有一个问号，即如果无人驾驶汽车发生事故，谁应该承担责任。在我看来，目前还需要政府和律师做一些工作来解决这个问题。

包括沃尔沃(Volvo)在内的一些较大的制造商和公司最近表示，他们将准备好在发生事故时自行投保。但在不久的将来，议会如何在这一领域立法也存在其他问题。

Georgia:那么我想你已经了解了这辆车的所有者，制造这辆车的人，以及为这辆车工作编写软件的人?

保罗:是的，没错。所以这个领域的问题是，在发生事故的情况下，汽车是完全自动的，这和有人坐在方向盘后面疏忽驾驶是不一样的。情况要复杂得多，目前，我们必须调查与该事件有关的一系列行为者，并努力确定责任。

乔治亚-我想，这里的问题是技术发展得太快了，我想，社会跟不上了。你认为世界需要做些什么才能为所有这些技术做好准备?

保罗-你说得对，历史上这种事时有发生。人类将用技术突破界限，发展得越来越快。法律往往反应较慢，但在某种程度上，这是对技术进步的一种很好的制衡。但它不应该是一个障碍。它需要做的是保护社会和其他个人。这一切都是为了在先进技术和现有法律之间取得平衡。

乔治亚州——彼得·李。另一件需要考虑的事情是，当你允许联网系统驾驶你的汽车时，这可能会使它容易受到网络攻击。罗斯·安德森(Ross Anderson)是剑桥大学安全工程教授。

罗斯:自动驾驶汽车在安全方面面临的最大问题是，一旦你开始将复杂的计算设备连接到互联网上，你就必须考虑安全问题。

在现代互联的世界里，一旦有人发现了一个可能导致你的汽车撞车的输入组合，他们就可以把这个信息传播给成千上万的汽车，这可能会导致成千上万的车祸。因此，一旦这样的漏洞被发现并开始被利用，你必须迅速修补它，而大多数汽车制造商根本没有任何机制，可以像给笔记本电脑或手机打补丁那样，出去给汽车打补丁。

格鲁吉亚-到目前为止，有没有发生过这种邪恶袭击的例子?

罗斯:例如，安全研究人员去年在美国对一辆克莱斯勒吉普进行了攻击，导致克莱斯勒召回并更换了140万辆汽车的软件。吉普的问题是克莱斯勒使用了一个网络，他们称之为Uconnect，这个网络没有有效的网络安全，所以网络上的人有可能扫描所有140万辆使用这个网络的汽车并确定它们的IP地址和位置。所以你看了目标飞行器的纬度和经度然后你可以把它们整合起来，找出它是什么，然后你就可以进去干扰软件了。

现在，袭击者又证明了这一点，他们占领了一辆吉普车，车上坐着一名记者，他们故意让吉普车减速，以至于他身后的卡车在高速公路上不停地鸣笛，让他有点害怕。

乔治亚-你觉得我们怎么才能避免这种情况?

罗斯:我们必须制定一些关于车辆安全和安全认证的规定。这将在欧洲完成，因为就像欧洲制定世界隐私规则一样，因为华盛顿不在乎，没有其他国家大到可以影响。因此，欧洲是监管从汽车到医疗设备到电工设备等各种产品安全的主要参与者。因此，从根本上说，这是欧盟面临的一项任务，升级所有参与检查各种安全关键设备的各种机构，并为它们颁发安全证书，以确保它们也足够安全，能够抵御敌对攻击。

格鲁吉亚——有可能保证这些系统的绝对安全吗?

这是个不切实际的野心。你实际上要做的是，当漏洞暴露出来时，你要确保有办法快速修复它们，并将这些修复程序推广到你在现场拥有的数百万台设备上。在每个月的第二个星期二，这是所有Windows设备的例行公事，Android也会每月更新你手机上的软件。这就是IT行业如何发展出一种应对这种情况的方法。所以有一些机制是有效的，我们需要的是汽车销售商，医疗设备销售商，等等，去跟上它，弄清楚如何让这些机制在他们自己的产品上起作用。

乔治亚——虽然这种互联性使汽车变得脆弱，但也可以使它们拯救生命。回到保罗·纽曼。

保罗:五年前我出了一场车祸，到现在我还没有释怀。我犯了一个错误——我很幸运，大家都没事。我还没能和我的任何朋友分享这段经历。但对于那些可以共享数据和体验的汽车来说，情况并非如此。

所以我们可以设想这样一个世界，事故总是很可怕，但是，因为它们，事故减少了，因为错误和教训在整个舰队中得到了分享。所以你可以想象这样一个世界，在哥本哈根发生的小车祸积极地提高了开普敦仓库里某人的安全。