霍金的科幻與現(xiàn)實(shí)

李蕓蕓

北京時間2016年4月12日上午，英國著名理論物理學(xué)家史蒂芬·霍金在新浪開通了個人微博。在微博上，他向中國網(wǎng)友問好，并表示將在社交媒體上與中國用戶交流心得。兩天后，霍金的粉絲達(dá)到近300萬。無論是網(wǎng)絡(luò)還是線下，霍金本來就紅，在中國開微博，霍金就成為中國的網(wǎng)紅?；艚鹪谥袊蔀榫W(wǎng)紅還有一個主要原因是因?yàn)樗诘诙l微博中發(fā)布的一個撩撥人的消息，人類可以飛向半人馬星座的α星。

飛向α星現(xiàn)在還是科幻

霍金在第二條微博中稱，他將與俄羅斯“土豪”尤里·米爾納和“臉書”的CEO扎克伯格一起，研發(fā)第一臺納米飛行器，用它來探索半人馬座α星。

半人馬座是一個巨大而明亮的星座，它擁有兩顆一等大星，半人馬座α星和β星。半人馬座α星和β星在中國古代被合稱為“南門雙星”，14世紀(jì)鄭和下西洋時，曾利用它們來導(dǎo)航。不過，南門雙星還有一顆伴星（比鄰星，C星），離我們只有4.2光年，是距離太陽系最近的恒星。

即便以4.2光年來計算，按照目前人類設(shè)計的航天飛船或航天飛行器的速度，到達(dá)那里大約也需要3萬年。但是，按照霍金的計劃，可以研發(fā)以激光推進(jìn)的微型星際“飛船”，達(dá)到光速1/5的速度，如此，人類只要20年時間就能到達(dá)半人馬座α星或比鄰星，一睹它們的真面目。

半人馬座α星和β星都是恒星，近距離探索它們肯定像現(xiàn)在人類要到太陽上去一樣，沒有走近就會被燒死。按照霍金的計劃，那些“納米飛行器”只有幾厘米左右，重量不過幾克，需要在上面安裝探測裝置，所以只能圍繞半人馬座α星、β星和C星進(jìn)行探索，或者是重點(diǎn)探索圍繞在這些恒星周圍的其他行星，就像圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)的地球一樣，因?yàn)樵谀切┑胤讲庞羞m宜像人一樣的生物居住的環(huán)境。

為什么要探索半人馬座α星或β星，霍金也沒說清楚，但過去一直傳說那些地方有其他的星際文明，可能像人類文明，也可能不像人類文明。所以，探索的目的應(yīng)當(dāng)是發(fā)現(xiàn)其他星球的文明（外星文明）。

不過，從現(xiàn)在的科技水平來看，霍金的想法還只是科幻，因?yàn)橐匀祟惉F(xiàn)在的技術(shù)難以做到，這體現(xiàn)在工程材料、推進(jìn)器等方面。用光束來推動納米飛行器利用的是光壓，就像太陽照到人們身上會產(chǎn)生熱量一樣，如果光照到一個物體上面，物體會獲得能量，同時也會產(chǎn)生壓力，但這個壓力是十分微弱的。

無論是激光還是太陽光，要想把一個即便只有1～10克重的物體加速到光速的1/5，大概需要比一顆原子彈爆炸的總能量還要大的能量。這種極大的能量集中到納米飛行器上只會摧毀飛行器，以現(xiàn)有材料制造的飛行器無法承受這樣的能量，而且具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的航天器的耐受能力可能更為脆弱。

不過，已經(jīng)試驗(yàn)過的技術(shù)是太陽帆飛船，是單純依靠太陽光子持續(xù)撞擊帆板，逐漸將飛船在沒有明顯空氣阻力的太空中推進(jìn)到較高速度。美國、俄羅斯先后做過幾次太陽帆動力試驗(yàn)，也僅僅是在近地軌道內(nèi)嘗試過，但還沒有成功，也就是沒有達(dá)到實(shí)用的階段。

所以，霍金的探索半人馬座α星的設(shè)想目前還只是一種想象或科幻。

輪椅才是霍金的現(xiàn)實(shí)

盡管探索半人馬座α星在目前是科幻，但不排除人類科技進(jìn)一步發(fā)展后，未來可以實(shí)現(xiàn)這種設(shè)想，但那也只是將來時。從眼下的現(xiàn)實(shí)來看，霍金能提出這種想法完全依賴于現(xiàn)有科技的發(fā)展和現(xiàn)實(shí)水平。具體而言，即便霍金要表達(dá)各種思想和學(xué)說，包括人類探索半人馬座α星，也必須要依賴他不可須臾離開的輪椅。

輪椅不僅是霍金的代步工具，更重要的是，它是集計算機(jī)軟件、通信技術(shù)、紅外光、語音轉(zhuǎn)換器等于一體的人工智能，能把霍金的思想和想法轉(zhuǎn)化為語言（語音）和文字表達(dá)出來。有了它，霍金才能與他人交流并表達(dá)自己的思想，包括目前探索半人馬座α星的科幻想法。

霍金的輪椅由下面一些元件組成。

語音合成器，位于椅背，可以把霍金“寫”出的文字轉(zhuǎn)譯成霍金獨(dú)特的電子語音。

眼鏡和眼鏡上的紅外感受器，可以感知霍金臉頰肌肉的顫動。

電腦屏幕，即便在陽光下也能看得清楚屏幕上的內(nèi)容和圖像，可供霍金“寫”演講稿、收發(fā)電子郵件，甚至可用skype來接收電話。

平板電腦，擁有Core17處理器，可以控制輪椅上的所有電子系統(tǒng)。

萬用遙控器，是一個紅外線遙控器，可以操作辦公室和家里的電視、音響、燈光，甚至開門和關(guān)門。

外圍盒，內(nèi)有通用串行總線（USB）、音響放大器和整流器，供各種子系統(tǒng)使用。

電源，在椅座下方，供輪椅移動和電腦系統(tǒng)使用，還有備用電池。

其實(shí)，霍金的輪椅就是一個智能機(jī)器，并且在逐漸改進(jìn)，這個智能機(jī)器目前經(jīng)歷了三次升級。

霍金輪椅的1.0版本包括：輪椅，語音合成器，電機(jī)，控制器，電話答錄機(jī)，液晶顯示屏等。霍金在21歲時患了肌萎縮性側(cè)索硬化癥（ALS），也稱運(yùn)動元神經(jīng)病，是一種無法治愈而且致命的疾病?；歼@種病后病人慢慢喪失運(yùn)動能力，到后來甚至因?yàn)楹粑『秃聿考∪饴楸圆荒馨l(fā)音，并因此而不能說話，常在三五年后死亡，幸運(yùn)的是霍金奇跡般地生存下來。

1985年，霍金因患肺炎做了氣管穿刺手術(shù)，徹底喪失了說話能力，但是還有三個手指能活動。這時，美國加利福尼亞州一位名叫瓦特·沃爾托茲的電腦工程師為霍金設(shè)計了一個名為“平等器”的電腦程序，其中的文本文件是Word+。這個程序可以讓霍金從屏幕上選擇詞匯，只要他按動手中的開關(guān)選擇詞匯后，就會轉(zhuǎn)入語音合成器發(fā)出聲音來。

后來，劍橋調(diào)節(jié)通訊公司的大衛(wèi)·梅森又改進(jìn)了這套設(shè)備，并安裝在了霍金的輪椅上，使霍金“說話”的速度大大加快，每分鐘可“說”出15個詞，如果需要還可以把文字直接打印出來。

輪椅的2.0版本

2005年后，霍金徹底喪失了運(yùn)動能力，連手指都不能活動了，這讓他以前靠手指來操作輪椅上的電腦的方式完全失效，為此，英特爾的創(chuàng)始人摩爾設(shè)計了2.0版本的輪椅，讓霍金能繼續(xù)與外界交流，而且是通過交談來實(shí)現(xiàn)。

這個2.0版本的輪椅主要通過眼動追蹤、聯(lián)想輸入和語音合成器播放來幫助霍金與他人交流，并表達(dá)自己的思想。研究人員為霍金設(shè)計了一個眼鏡，上面安裝了紅外線發(fā)射器和檢測肌肉活動的探測器，通過霍金說話時面部肌肉的收縮和舒張來激活輔助系統(tǒng)，并用眼球控制紅外線發(fā)射器，選定在屏幕中輪流出現(xiàn)的英文字母。

例如，當(dāng)霍金想說點(diǎn)子（idea）時，面頰肌肉收縮激活輔助系統(tǒng)，電腦屏幕上會出現(xiàn)i字母，這時霍金的眼球動一下，電腦屏幕上就會不斷顯示以i開頭的英文單詞，直到idea出現(xiàn)，霍金再動一下眼球就表示選定這個字母，這就如同普通人用手操作鼠標(biāo)時的兩次點(diǎn)擊確定一樣。當(dāng)霍金依次選擇單詞并造句完畢，就可把一個句子發(fā)送到語音合成器，由后者說出來。

當(dāng)然，由英特爾設(shè)計的語音是美式英語，這使得作為英國人的霍金的口音是美音，讓人感到怪怪的，尤其是讓英國女王伊麗莎白對霍金的發(fā)音頗有微詞。她在一次會見霍金時問他：“還是美國口音？”霍金回答說：“是的，而且這個聲音已經(jīng)拿到了版權(quán)?！比藗兌贾溃聋惿讓τ⒄Z的標(biāo)準(zhǔn)十分看重，以致英國以她的發(fā)音作為英式英語的標(biāo)準(zhǔn)音，而且伊麗莎白對英語的用詞也嚴(yán)格到不遵循美式英語的約定俗成使用。例如，英國女王在圣誕和新年講話時從來不說Merry Christmas（圣誕快樂），而是說Happy Christmas，認(rèn)為這才是正宗英語。

但不管是美音還是英音，經(jīng)過人工智能的幫助，霍金通過2.0版本的輪椅再次延續(xù)了與他人的交流。

霍金使用的利用紅外線監(jiān)測面部肌肉活動的裝置并轉(zhuǎn)化為選擇單詞的電腦上的輸入軟件仍然是Word+，這個時候霍金每分鐘還可以輸入五六個單詞，所以，每天霍金的面部肌肉都繃得緊緊的，以便其寫文章、收發(fā)郵件和瀏覽互聯(lián)網(wǎng)。

但是到了2011年，霍金的病情進(jìn)一步惡化，每分鐘僅能輸入一兩個詞，霍金不得不再次求助于老朋友摩爾。摩爾讓英特爾的首席技術(shù)官賈斯汀·拉特納組建了一個人機(jī)交流的技術(shù)團(tuán)隊去拜訪霍金，以便找到霍金的問題，并幫助他。然而，從見面到發(fā)出第一句有30個詞的話歡迎拜訪者，霍金用了20分鐘。這讓技術(shù)團(tuán)隊感到霍金與人交流的問題相當(dāng)嚴(yán)重。

針對霍金遣詞造句的困難，技術(shù)團(tuán)隊對霍金的設(shè)備進(jìn)行了改造升級，研發(fā)了一個可供所有殘障人士使用的交互系統(tǒng)工具包ACAT（輔助情境感知工具包），是一個開源項目。這個版本可以算作是霍金輪椅的2.1版本，因?yàn)檫€是利用面部肌肉動作來操作電腦。ACAT允許使用者通過幾乎任何面部動作來進(jìn)行交互操作。升級后的軟件由于集成了SwiftKey的人工智能預(yù)測技術(shù)，霍金僅需要輸入15%～20%的字母，電腦軟件就能預(yù)測出剩下的內(nèi)容，還能夠在霍金輸入一個單詞后預(yù)測出下一個可能的單詞。利用升級后的軟件霍金依然靠面部肌肉和眼球控制打字（輸入），但其對文件進(jìn)行瀏覽、編輯、管理和在多任務(wù)間進(jìn)行切換和收發(fā)電子郵件等日常任務(wù)的速度提高了10倍。

當(dāng)然，在輸入方面，效率提高并非太快。在沒有使用ACAT之前，霍金的輸入速度是每分鐘1.5個單詞（20分鐘30個單詞），使用ACAT后霍金的輸入速度至少提高了一倍，也就是每分鐘輸入三四個單詞。所以人們計算霍金在向中國公眾發(fā)一條有99個詞的微博時，即便沒有錯誤，也需要30多分鐘。再加上思考以及排版、審閱等，估計霍金發(fā)布一條微博得用40分鐘左右。

3.0版本：用思想控制輪椅

霍金使用的2.1版本的輪椅或許在某一天就會因?yàn)槠洳∏榈淖兓鵁o法使用，因此，人機(jī)交流的專家已經(jīng)開始設(shè)計3.0版本的智能輪椅，但是也并非只是為霍金一人設(shè)計，而是讓所有重度殘障人士都可以使用。但是，由于霍金已經(jīng)習(xí)慣了以前的2.1版本，而且3.0版本也需要學(xué)習(xí)，目前霍金對3.0版本的輪椅還不習(xí)慣使用。

3.0版本的智能輪椅是基于喉嚨肌肉發(fā)音時的收縮和舒張來設(shè)計的。當(dāng)人們說話時，大腦語言中樞會發(fā)出信號到喉嚨，使喉嚨的肌肉群協(xié)同收縮和舒張而發(fā)出聲音。即使一個人說話不說出聲，或者只是說出來只有自己能聽到，喉部的肌肉群也必須要運(yùn)動。因此，想要說出的話即使在大腦中，也會產(chǎn)生指令讓喉嚨肌肉群運(yùn)動。如果能設(shè)計一個軟件讀懂喉嚨肌肉群的運(yùn)動要說出什么詞和句子，然后傳輸?shù)秸Z音合成器上，就會形成人的話語（言語）。也就是說，當(dāng)人的思維想說什么話時，由機(jī)器解讀喉部肌肉的運(yùn)動情況來發(fā)話，思想就可直接控制言語。當(dāng)然，這還不是直接的思想控制話語，是要通過喉部肌肉運(yùn)動轉(zhuǎn)化，但比靠電腦軟件檢測臉部肌肉的運(yùn)動來說話更為直接一些。

美國航空航天局艾姆斯研究中心研發(fā)了一項技術(shù)，不僅可以讓殘障人士自主控制電動輪椅，而且能將思想（想說的話）傳送到語音合成器，讓后者說話。這個軟件是一個電極，可以貼在喉嚨的皮膚上，使用者頭腦中只要有諸如“向右”或“停下”的想法（指令），輪椅或機(jī)器便會自動探測到喉部微弱的電子脈沖，并翻譯出來，然后向輪椅傳達(dá)正確的指令，讓輪椅向右轉(zhuǎn)或停下來。同樣，一個人想說什么話，也可以通過這個軟件探測到，并向語音合成器傳輸指令，讓后者說出話來。

霍金已經(jīng)嘗試過這種人（腦）-機(jī)界面，但他感到并不適應(yīng)。原因有兩個：其一，這種軟件需要他重新學(xué)習(xí)來操控，過去是靠面頰肌肉收縮和眼睛發(fā)出指令來操控輪椅和電腦，現(xiàn)在需要用喉部肌肉收縮來操控，顯然是一種需要重新掌握的技能;其二，按照目前的技術(shù)，電極擺放的位置如果稍微偏移，辨識率就會從94%下降到50%以下，因此，不太準(zhǔn)確。有時候，電極解讀并發(fā)送到語音合成器說出來的話，并非是霍金的本意。所以霍金目前并沒有使用。

盡管霍金尚未使用新的人機(jī)交流軟件，但這方面的人工智能已經(jīng)在幫助其他癱瘓病人了，即用思想來控制不能運(yùn)動的四肢，使四肢能運(yùn)動。美國大學(xué)生伯克哈特5年前因潛水意外導(dǎo)致頸椎脊髓受損，四肢永久癱瘓。2014年，美國俄亥俄州神經(jīng)中心的研究人員設(shè)計了一個芯片（軟件）植入伯克哈特大腦，讓其用思想控制運(yùn)動。這個在腦部植入的芯片名為“神經(jīng)生命”。研究團(tuán)隊先用腦部掃描確定控制伯克哈特手部活動的區(qū)域，再將芯片植入該處。芯片連通一個連接器，后者又與電腦相連。電腦使用特殊軟件解讀大腦傳來的信號，再發(fā)送指令給鑲有130個電極的電子手袖套，以刺激手部肌肉，讓伯克哈特得以繞過脊髓控制手部活動。

當(dāng)然，伯克哈特需要訓(xùn)練這臺計算機(jī)上的軟件讀懂他的想法，并對他想執(zhí)行的動作進(jìn)行解碼，這些指令傳遞給右臂戴著的電極手套。經(jīng)過一年多的練習(xí)，現(xiàn)在伯克哈特已經(jīng)可以用思維控制右手及手指，拿起杯子、刷信用卡，甚至玩吉他游戲。

同樣，如果把芯片植入大腦的語言中樞，就可以在大腦想說什么話的時候通過人機(jī)指令讓輪椅上的語音合成器說出話來。只是，這需要向霍金的大腦語言中樞植入芯片，同時霍金還得學(xué)習(xí)如何操作電腦軟件。如果霍金還想用思想控制輪椅的移動，也得向他的大腦運(yùn)動中樞植入芯片。由于霍金目前還不接受，所以這種3.0版本的輪椅還幫不到霍金，但終有一天霍金和其他類似的殘障者可能會用上。

當(dāng)然，霍金的輪椅的價格可能也會影響到殘障者的使用。由于目前霍金的輪椅都是科技公司的友情贊助，沒有讓霍金埋單，因此也沒有一個準(zhǔn)確的價格。有人粗略估算了一下，大概得花95萬～100萬美元。如果再發(fā)展到3.0版本，恐怕價錢更高。

【責(zé)任編輯】張?zhí)锟?