霍金輪椅簡史

張?zhí)锟?/p>

用目前科技發(fā)展的眼光來看，霍金探索半人馬座α星的計劃或許還只是科幻；而能夠體現(xiàn)當今科學發(fā)展水平的，卻是將這位科學天才的身體禁錮了50多年的那臺輪椅。在霍金的第一條微博發(fā)出之后，就有中國網(wǎng)友發(fā)問：全身不能動的霍金發(fā)一條微博需要多久

從4月12日開通新浪微博到現(xiàn)在，史蒂芬·霍金一共只發(fā)了兩條信息，然而這兩條微博就為他“賺取”了300多萬中國粉絲。他的第一條向中國網(wǎng)友問好的微博就獲得近百萬點贊，此外還有評論和轉發(fā)各40多萬條。相隔一天之后，他在第二條微博中發(fā)出的消息再次引起轟動——研發(fā)一臺“納米飛行器”，將讓人類飛達半人馬星座的α星。霍金在微博中稱，加入這一計劃的，還有俄羅斯“土豪”尤里·米爾納和臉書（Facebook）創(chuàng)始人“小扎”。

不僅物理大師組的這個“局”堪稱夢幻組合，而且他的“突破攝星”計劃也讓人充滿遐想：用激光推進的微型星際飛船，以1/5光速的速度，花20年左右的時間就能到達半人馬座α星并發(fā)回照片。

實際上，以目前人類在工程材料、推進器等方面的技術水平，無論是用激光還是太陽光，要想把一個即便只有1～10克重的物體加速到光速的1/5，大概也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”上首先會摧毀它。所以，用目前科技發(fā)展的眼光來看，霍金探索半人馬座α星的計劃或許還只是科幻；而能夠體現(xiàn)當今科學發(fā)展水平的，卻是將這位科學天才的身體禁錮了50多年的那臺輪椅。

輪椅，霍金形象的一部分

在霍金的第一條微博發(fā)出之后，就有中國網(wǎng)友發(fā)問：全身不能動的霍金發(fā)一條微博需要多久？回答這個問題，要從這位當今人類“最強大腦”的標志性的形象說起。

霍金17歲就入讀牛津大學攻讀自然科學，他用了很短時間就得到了一等榮譽學位，隨后轉讀劍橋大學研究宇宙學。1963年，21歲的他不幸被診斷患有肌肉萎縮性側索硬化癥（又稱盧伽雷氏癥）。這是一種無法治愈的致命疾病，病人會慢慢喪失運動能力，后期甚至因為呼吸肌和喉部肌肉麻痹而不能發(fā)音，并因而失語。

當時醫(yī)生判斷霍金只能活兩三年，然而他后來卻堅強地一直活下來，但疾病使霍金的身體嚴重變形，頭只能朝右邊傾斜，肩膀左低右高，雙手緊緊并在當中，握著手掌大小的擬聲器鍵盤，兩腳則朝內扭曲，嘴幾乎歪成S形。數(shù)十年來，這樣奇特的形象和那臺輪椅，在全世界面前定格成為一個天才科學家的符號。

患病之后，霍金全身只有三根手指和兩只眼睛可以活動，并且只能用極其微弱、難以識別的語言交談。在1985年因患肺炎而做氣管切開手術后，霍金更是被徹底剝奪了說話的能力。當時，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選擇詞匯后，就會轉入語音合成器，發(fā)出聲音來。

后來，劍橋調節(jié)通訊公司的大衛(wèi)·梅森改進了這套設備，并安裝在霍金的輪椅上，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。

這臺世界上幾乎獨一無二的輪椅不僅是霍金的代步工具，也構成霍金個人形象的一部分。它是一臺集計算機軟件、通信技術、紅外光、語音轉換器于一體的人工智能設備，通過它，霍金的思想可以轉化為語音和文字，并表達給全世界——包括他的數(shù)百萬新浪微博粉絲。

霍金輪椅的語音合成器安置在椅背上，可以把他寫出的文字轉譯成獨特的“霍金式”電子語音。輪椅上安裝有一個12英寸的電子屏幕，即便在陽光下也能讓他看得清楚屏幕上的內容和圖像。通過這個小小的“窗口”，霍金可以寫演講稿、收發(fā)電子郵件，甚至可以用即時通信軟件skype來接聽電話。

霍金輪椅上的平板電腦擁有Core17處理器，它可以控制輪椅上所有的電子系統(tǒng)。輪椅上的萬用遙控器是一個紅外線裝置，可以用來操作霍金辦公室和家里的電視、音響、燈光，甚至可以用來開門、關門。

輪椅上裝有一個叫做“外圍盒”的設備，內有USB集線器、音響放大器和整流器，供各種子系統(tǒng)使用。這部輪椅的電源安裝在椅座下方，供輪椅移動和整個電腦系統(tǒng)使用。此外，這套系統(tǒng)還裝有一套備用電池。

其實，霍金輪椅就是一部智能機器，而且它是隨著科技的發(fā)展而逐漸升級的，以上所描述的只是這臺智能輪椅的基本構造。

霍金輪椅升級，發(fā)一條微博需要多久

2005年之后，霍金徹底喪失了運動能力——連手指都不能活動了，這讓他以前操作輪椅上的電腦的方式完全失效。為此，英特爾的創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）為他設計了2.0版的輪椅，使得霍金能繼續(xù)與外界交流，而且照樣通過“交談”來實現(xiàn)。

新版霍金輪椅主要通過眼動追蹤、聯(lián)想輸入和語音合成器播放，來支持這位科學巨人與世界對話。研究人員為霍金設計了一個特殊的眼鏡，上面安裝了紅外線發(fā)射器和檢測肌肉活動的探測器，可以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，當霍金想說“點子”（idea）這個詞時，他的面頰肌肉收縮首先激活輔助系統(tǒng)，電腦屏幕上會出現(xiàn)字母i，這時霍金的眼球動一下，計算機就會不斷顯示以i開頭的英文字母，直到idea出現(xiàn)；霍金再動一下眼球來表示選定這個字母，這就如同普通人用手操作鼠標時的兩次點擊確定一樣。當霍金完成造句后，就可以把這個句子發(fā)送到語音合成器上，由后者替他“說”出來了。

有趣的是，由英特爾公司設計的語音系統(tǒng)用的是美式英語，這讓一些人尤其是英國女王伊麗莎白，對這位英國國寶級科學家的“口音”頗有微詞。她在一次會見霍金時問，“還是美國口音嗎？”霍金回答說：“是的，而且這個聲音已經(jīng)拿到了版權?！币聋惿着鯇τ⒄Z語音十分看重，以至于英國以她的發(fā)音作為英式英語的標準音。盡管如此，霍金輪椅的智能發(fā)音系統(tǒng)沒能取悅于女王，但是這套2.0版的輪椅畢竟讓霍金與世界的交流延續(xù)至今。

在升級后的輪椅中，霍金為了使用紅外線監(jiān)測裝置，總是要把臉部肌肉繃緊，以便寫文章、收發(fā)郵件和瀏覽互聯(lián)網(wǎng)。到了2011年，他的病情進一步惡化，用這種方式每分鐘僅能輸入一兩個單詞，因而不得不再次求助于老朋友摩爾。在摩爾的指派下，因特爾首席技術官賈斯汀·拉特納（Justin Rattner）組建了一個人機交流技術團隊，團隊成員專門去拜訪霍金，試圖為他找到解決辦法。在見面的當時，霍金花了20分鐘，才發(fā)出一句包含30個單詞的歡迎拜訪者的話。

其后，技術團隊對霍金的設備進行了改造升級，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（輔助情境感知工具包，簡稱ACAT）。安裝升級了這個開源項目后，霍金輪椅可謂升級到2.1版。雖然還是利用面部肌肉動作來操作電腦，但ACAT允許使用者通過幾乎任何面部動作來進行交互操作。升級后的軟件由于集成了Swift Key人工智能預測技術，霍金僅需要輸入15%～20%的字母，電腦軟件就能預測出剩下的內容，還能夠在每輸入一個單詞后預測出下一個可能的單詞。利用升級后的軟件，霍金對文件進行瀏覽、編輯、管理和在多任務間進行切換、收發(fā)電子郵件等日常任務的速度提高了10倍。

在沒有使用ACAT之前，霍金的輸入速度是每分鐘1.5個單詞（每20分鐘30個單詞），在使用ACAT后，他的輸入速度至少提高了一倍，也就是每分鐘輸入3～4個單詞。有人計算，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，大約也需要30多分鐘。再加上思考以及排版、審閱等，估計霍金用了大約40分鐘時間，才完成了他向中國粉絲的第一次問候。

“腦控”，3.0版輪椅不僅屬于霍金

2.1版的霍金輪椅或許在某一天就會因為主人病情的不幸加重而無法使用，因此，人機交流專家已經(jīng)開始設計3.0版智能輪椅——也許這并非只是為霍金一個人而設計的，所有重度殘障人都可能受益于此。而且，由于霍金已經(jīng)習慣了自己現(xiàn)有的輪椅，而要想習慣3.0版輪椅，這位物理大師可能還需要開始新的學習。

最新版智能輪椅是基于喉部肌肉發(fā)音時的收縮和舒張來設計的。當人們說話時，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，或者說出來的話只是自己能夠聽到，其喉部的肌肉群也仍然有運動。換句話說，想要說出的話即使僅僅在大腦中，大腦也會產(chǎn)生指令，讓喉嚨肌肉群運動。如果設計一個軟件，能夠通過“讀懂”喉嚨肌肉群的運動來判斷要說出的詞句，然后傳輸?shù)秸Z音合成器上，就能形成人的話語。與靠電腦軟件檢測臉部肌肉相比，這樣的“發(fā)音”方式要直接很多。

根據(jù)這一原理，美國航天總署艾姆斯研究中心研發(fā)了一項技術，不僅可以讓殘障人自主控制電動輪椅，而且能夠將思想（想說的話）傳送到語音合成器，讓后者“說話”。首先，通過一個貼在喉部皮膚上的電極，使用者頭腦中只要有“向右”或“停下”的想法（指令），輪椅便會自動探測到喉部微弱的電子脈沖并“翻譯”出來，這樣的指令正確傳達給輪椅后，輪椅就會完成右轉或停下的動作。同樣，使用者想說什么話，也可以通過軟件探測到，并向語音合成器傳輸指令，讓后者替使用者“發(fā)聲”。

霍金已經(jīng)嘗試過這種人（腦）-機界面，但他感到并不適應。原因有兩個：其一，從使用面頰肌肉到通過喉部肌肉收縮來操控，有一個需要重新學習的過程，霍金還沒有適應這種新的技能。其二，按照目前的技術，電極擺放的位置如果稍有偏移，辨識的準確率就會從94%下降到50%以下。有時候，電極解讀并發(fā)送到語音合成器“說”出來的話，并非霍金的本意。所以霍金的輪椅目前并沒有正式使用這一系統(tǒng)。

更高級的智能技術是“腦機接口”，即用思想來控制不能運動的四肢。美國大學生伯克·哈特5年前因潛水意外導致頸椎脊髓受損，四肢永久癱瘓。從2014年起，俄亥俄州神經(jīng)中心的研究人員就開始設計一個植入伯克哈特大腦的芯片來讓其思想控制運動。這個植入腦部的芯片名為“神經(jīng)生命”，它通過連接器與電腦相連。電腦使用特殊軟件來解讀大腦傳來的信號后，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。經(jīng)過一年多的練習，現(xiàn)在伯克·哈特已經(jīng)可以用思維控制右手，完成拿起杯子、刷信用卡等動作。

同樣，如果把芯片植入大腦語言中樞，就可以在大腦想說什么話的時候通過人機指令讓輪椅上的語音合成器說出來。只是，這需要向霍金的大腦語言中樞植入芯片。如果想用思想控制輪椅的運動，也得向大腦運動中樞植入芯片。當然，這種設想中的3.0版本輪椅目前還幫不到霍金，這首先是因為，霍金還不愿意在自己天才的大腦中植入芯片。

目前，霍金輪椅的價格可能是普通殘障者所可望而不可即的。由于霍金的輪椅都是科技公司友情贊助的，并不需要他自己“埋單”，因此，還沒有人能夠給霍金輪椅定一個“官方價格”。據(jù)粗略估算，買一臺目前版本的霍金輪椅大概得花95萬～100萬美元。如果將來真的升級到3.0版，恐怕價錢更會高出許多。

多年以來，斯蒂芬·霍金每天都驅動輪椅從他的家——劍橋西路5號，經(jīng)過美麗的劍河、古老的國王學院，駛到位于銀街的劍橋大學應用數(shù)學和理論物理系辦公室。如果你有機會造訪劍橋大學并路過這里，你會看到這座擁有大師的科學圣殿前面有一段斜坡，那就是為了便于霍金輪椅的運行而特意修建的。