霍金的轮椅:才是当今科技的巅峰

从4月12日开通新浪微博到现在,史蒂芬·霍金一共只发了两条信息,然而这两条微博就为他“赚取”了300多万中国粉丝。他的第一条向中国网友问好的微博就获得近百万点赞,此外还有评论和转发各40多万条。相隔一天之后,他在第二条微博中发出的消息再次引起轰动——研发一台“纳米飞行器”,将让人类飞达半人马星座的α星。

霍金的轮椅:才是当今科技的巅峰的照片

霍金在微博中称,加入这一计划的,还有俄罗斯“土豪”尤里·米尔纳和脸书(Facebook)创始人“小扎”。

不仅物理大师组的这个“局”堪称梦幻组合,而且他的“突破摄星”计划也让人充满遐想:用激光推进的微型星际飞船,以1/5光速的速度,花20年左右的时间就能到达半人马座α星并发回照片。

实际上,以目前人类在工程材料、推进器等方面的技术水平,无论是用激光还是太阳光,要想把一个即便只有1~10克重的物体加速到光速的1/5,大概也需要比一颗原子弹爆炸的总能量还要大的能量。

这种极大的能量集中到“纳米飞行器”上首先会摧毁它。所以,用目前科技发展的眼光来看,霍金探索半人马座α星的计划或许还只是科幻。

事实上,能够体现当今科学发展水平的,却是将这位科学天才的身体禁锢了50多年的那台轮椅。

轮椅:霍金形象的一部分

在霍金的第一条微博发出之后,就有中国网友发问:全身不能动的霍金发一条微博需要多久?回答这个问题,要从这位当今人类“最强大脑”的标志性的形象说起。

霍金17岁就入读牛津大学攻读自然科学,他用了很短时间就得到了一等荣誉学位,随后转读剑桥大学研究宇宙学。

1963年,21岁的他不幸被诊断患有肌肉萎缩性侧索硬化症(又称卢伽雷氏症)。这是一种无法治愈的致命疾病,病人会慢慢丧失运动能力,后期甚至因为呼吸肌和喉部肌肉麻痹而不能发音,并因而失语。

当时医生判断霍金只能活两三年,然而他后来却坚强地一直活下来,但疾病使霍金的身体严重变形,头只能朝右边倾斜,肩膀左低右高,双手紧紧并在当中,握着手掌大小的拟声器键盘,两脚则朝内扭曲,嘴几乎歪成S形。

数十年来,这样奇特的形象和那台轮椅,在全世界面前定格成为一个天才科学家的符号。

患病之后,霍金全身只有三根手指和两只眼睛可以活动,并且只能用极其微弱、难以识别的语言交谈。在1985年因患肺炎而做气管切开手术后,霍金更是被彻底剥夺了说话的能力。

当时,美国加利福尼亚州一位名叫瓦特·沃尔托兹的电脑工程师为霍金设计了一个名为“平等器”的电脑程序,其中的文本文件是Word 。这个程序可以让霍金从屏幕上选择词汇,只要他按动手中的开关选择词汇后,就会转入语音合成器,发出声音来。

后来,剑桥调节通讯公司的大卫·梅森改进了这套设备,并安装在霍金的轮椅上,使霍金“说话”的速度大大加快,每分钟可“说”出15个词,如果需要,还可以把文字直接打印出来。

这台世界上几乎独一无二的轮椅不仅是霍金的代步工具,也构成霍金个人形象的一部分。

它是一台集计算机软件、通信技术、红外光、语音转换器于一体的人工智能设备,通过它,霍金的思想可以转化为语音和文字,并表达给全世界——包括他的数百万新浪微博粉丝。

霍金轮椅的语音合成器安置在椅背上,可以把他写出的文字转译成独特的“霍金式”电子语音。轮椅上安装有一个12英寸的电子屏幕,即便在阳光下也能让他看得清楚屏幕上的内容和图像。通过这个小小的“窗口”,霍金可以写演讲稿、收发电子邮件,甚至可以用即时通信软件Skype来接听电话。

霍金轮椅上的平板电脑拥有Core i7处理器,它可以控制轮椅上所有的电子系统。轮椅上的万用遥控器是一个红外线装置,可以用来操作霍金办公室和家里的电视、音响、灯光,甚至可以用来开门、关门。

轮椅上装有一个叫做“外围盒”的设备,内有USB集线器、音响放大器和整流器,供各种子系统使用。这部轮椅的电源安装在椅座下方,供轮椅移动和整个电脑系统使用。此外,这套系统还装有一套备用电池。

其实,霍金轮椅就是一部智能机器,而且它是随着科技的发展而逐渐升级的,以上所描述的只是这台智能轮椅的基本构造。

霍金轮椅升级,发一条微博需要多久

2005年之后,霍金彻底丧失了运动能力——连手指都不能活动了,这让他以前操作轮椅上的电脑的方式完全失效。为此,英特尔的创始人戈登?摩尔(Gordon Moore)为他设计了2.0版的轮椅,使得霍金能继续与外界交流,而且照样通过“交谈”来实现。

新版霍金轮椅主要通过眼动追踪、联想输入和语音合成器播放,来支持这位科学巨人与世界对话。

研究人员为霍金设计了一个特殊的眼镜,上面安装了红外线发射器和检测肌肉活动的探测器,可以通过霍金说话时面部肌肉的收缩和舒张来激活辅助系统,并用眼球控制红外线发射器,选定在屏幕中轮流出现的英文字母。

例如,当霍金想说“点子”(idea)这个词时,他的面颊肌肉收缩首先激活辅助系统,电脑屏幕上会出现字母i,这时霍金的眼球动一下,计算机就会不断显示以i开头的英文字母,直到idea出现;霍金再动一下眼球来表示选定这个字母,这就如同普通人用手操作鼠标时的两次点击确定一样。

当霍金完成造句后,就可以把这个句子发送到语音合成器上,由后者替他“说”出来了。

有趣的是,由英特尔公司设计的语音系统用的是美式英语,这让一些人尤其是英国女王伊丽莎白,对这位英国国宝级科学家的“口音”颇有微词。

她在一次会见霍金时问:“还是美国口音吗?”霍金回答说:“是的,而且这个声音已经拿到了版权。”

伊丽莎白女王对英语语音十分看重,以至于英国以她的发音作为英式英语的标准音。尽管如此,霍金轮椅的智能发音系统没能取悦于女王,但是这套2.0版的轮椅毕竟让霍金与世界的交流延续至今。

在升级后的轮椅中,霍金为了使用红外线监测装置,总是要把脸部肌肉绷紧,以便写文章、收发邮件和浏览互联网。到了2011年,他的病情进一步恶化,用这种方式每分钟仅能输入一两个单词,因而不得不再次求助于老朋友摩尔。

在摩尔的指派下,因特尔首席技术官贾斯汀·拉特纳(Justin Rattner)组建了一个人机交流技术团队,团队成员专门去拜访霍金,试图为他找到解决办法。在见面的当时,霍金花了20分钟,才发出一句包含30个单词的欢迎拜访者的话。

其后,技术团队对霍金的设备进行了改造升级,研发了一个可供所有残障人士使用的交互系统工具包(辅助情境感知工具包,简称ACAT)。安装升级了这个开源项目后,霍金轮椅可谓升级到2.1版。虽然还是利用面部肌肉动作来操作电脑,但ACAT允许使用者通过几乎任何面部动作来进行交互操作。

升级后的软件由于集成了Swift Key人工智能预测技术,霍金仅需要输入15%~20%的字母,电脑软件就能预测出剩下的内容,还能够在每输入一个单词后预测出下一个可能的单词。利用升级后的软件,霍金对文件进行浏览、编辑、管理和在多任务间进行切换、收发电子邮件等日常任务的速度提高了10倍。

在没有使用ACAT之前,霍金的输入速度是每分钟1.5个单词(每20分钟30个单词),在使用ACAT后,他的输入速度至少提高了一倍,也就是每分钟输入3~4个单词。

有人计算,霍金在向中国公众发一条有99个词的微博时,即便没有错误,大约也需要30多分钟。再加上思考以及排版、审阅等,估计霍金用了大约40分钟时间,才完成了他向中国粉丝的第一次问候。

“脑控”,3.0版轮椅不仅属于霍金

2.1版的霍金轮椅或许在某一天就会因为主人病情的不幸加重而无法使用,因此,人机交流专家已经开始设计3.0版智能轮椅——也许这并非只是为霍金一个人而设计的,所有重度残障人都可能受益于此。而且,由于霍金已经习惯了自己现有的轮椅,而要想习惯3.0版轮椅,这位物理大师可能还需要开始新的学习。

最新版智能轮椅是基于喉部肌肉发音时的收缩和舒张来设计的。当人们说话时,大脑语言中枢会发出信号到喉咙,使喉咙的肌肉群协同收缩和舒张而发出声音。即使一个人说话不说出声,或者说出来的话只是自己能够听到,其喉部的肌肉群也仍然有运动。

换句话说,想要说出的话即使仅仅在大脑中,大脑也会产生指令,让喉咙肌肉群运动。如果设计一个软件,能够通过“读懂”喉咙肌肉群的运动来判断要说出的词句,然后传输到语音合成器上,就能形成人的话语。与靠电脑软件检测脸部肌肉相比,这样的“发音”方式要直接很多。

根据这一原理,美国航空航天局艾姆斯研究中心研发了一项技术,不仅可以让残障人自主控制电动轮椅,而且能够将思想(想说的话)传送到语音合成器,让后者“说话”。

首先,通过一个贴在喉部皮肤上的电极,使用者头脑中只要有“向右”或“停下”的想法(指令),轮椅便会自动探测到喉部微弱的电子脉冲并“翻译”出来,这样的指令正确传达给轮椅后,轮椅就会完成右转或停下的动作。同样,使用者想说什么话,也可以通过软件探测到,并向语音合成器传输指令,让后者替使用者“发声”。

霍金已经尝试过这种人(脑)-机界面,但他感到并不适应。原因有两个:其一,从使用面颊肌肉到通过喉部肌肉收缩来操控,有一个需要重新学习的过程,霍金还没有适应这种新的技能。其二,按照目前的技术,电极摆放的位置如果稍有偏移,辨识的准确率就会从94%下降到50%以下。有时候,电极解读并发送到语音合成器“说”出来的话,并非霍金的本意。所以霍金的轮椅目前并没有正式使用这一系统。

更高级的智能技术是“脑机接口”,即用思想来控制不能运动的四肢。美国大学生伯克?哈特5年前因潜水意外导致颈椎脊髓受损,四肢永久瘫痪。从2014年起,俄亥俄州神经中心的研究人员就开始设计一个植入伯克哈特大脑的芯片来让其思想控制运动。

这个植入脑部的芯片名为“神经生命”,它通过连接器与电脑相连。电脑使用特殊软件来解读大脑传来的信号后,发送指令给镶有130个电极的电子手袖套,以刺激手部肌肉,让伯克?哈特得以绕过脊髓,控制手部活动。经过一年多的练习,现在伯克·哈特已经可以用思维控制右手,完成拿起杯子、刷信用卡等动作。

同样,如果把芯片植入大脑语言中枢,就可以在大脑想说什么话的时候通过人机指令让轮椅上的语音合成器说出来。只是,这需要向霍金的大脑语言中枢植入芯片。如果想用思想控制轮椅的运动,也得向大脑运动中枢植入芯片。当然,这种设想中的3.0版本轮椅目前还帮不到霍金,这首先是因为,霍金还不愿意在自己天才的大脑中植入芯片。

目前,霍金轮椅的价格可能是普通残障者所可望而不可即的。由于霍金的轮椅都是科技公司友情赞助的,并不需要他自己“埋单”,因此,还没有人能够给霍金轮椅定一个“官方价格”。

据粗略估算,买一台目前版本的霍金轮椅大概得花95万~100万美元。如果将来真的升级到3.0版,恐怕价钱更会高出许多。

多年以来,斯蒂芬?霍金每天都驱动轮椅从他的家——剑桥西路5号,经过美丽的剑河、古老的国王学院,驶到位于银街的剑桥大学应用数学和理论物理系办公室。如果你有机会造访剑桥大学并路过这里,你会看到这座拥有大师的科学圣殿前面有一段斜坡,那就是为了便于霍金轮椅的运行而特意修建的。

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