霍金輪椅簡(jiǎn)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(jì)劃或許還只是科幻；而能夠體現(xiàn)當(dāng)今科學(xué)發(fā)展水平的，卻是將這位科學(xué)天才的身體禁錮了50多年的那臺(tái)輪椅。在霍金的第一條微博發(fā)出之后，就有中國(guó)網(wǎng)友發(fā)問：全身不能動(dòng)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(guó)粉絲。他的第一條向中國(guó)網(wǎng)友問好的微博就獲得近百萬點(diǎn)贊，此外還有評(píng)論和轉(zhuǎn)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(dòng)——研發(fā)一臺(tái)“納米飛行器”，將讓人類飛達(dá)半人馬星座的α星?；艚鹪谖⒉┲蟹Q，加入這一計(jì)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(gè)“局”堪稱夢(mèng)幻組合，而且他的“突破攝星”計(jì)劃也讓人充滿遐想：用激光推進(jìn)的微型星際飛船，以1/5光速的速度，花20年左右的時(shí)間就能到達(dá)半人馬座α星并發(fā)回照片。

實(shí)際上，以目前人類在工程材料、推進(jìn)器等方面的技術(shù)水平，無論是用激光還是太陽光，要想把一個(gè)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(huì)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(jì)劃或許還只是科幻；而能夠體現(xiàn)當(dāng)今科學(xué)發(fā)展水平的，卻是將這位科學(xué)天才的身體禁錮了50多年的那臺(tái)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(guó)網(wǎng)友發(fā)問：全身不能動(dòng)的霍金發(fā)一條微博需要多久？回答這個(gè)問題，要從這位當(dāng)今人類“最強(qiáng)大腦”的標(biāo)志性的形象說起。

霍金17歲就入讀牛津大學(xué)攻讀自然科學(xué)，他用了很短時(shí)間就得到了一等榮譽(yù)學(xué)位，隨后轉(zhuǎn)讀劍橋大學(xué)研究宇宙學(xué)。1963年，21歲的他不幸被診斷患有肌肉萎縮性側(cè)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(huì)慢慢喪失運(yùn)動(dòng)能力，后期甚至因?yàn)楹粑『秃聿考∪饴楸远荒馨l(fā)音，并因而失語。

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

患病之后，霍金全身只有三根手指和兩只眼睛可以活動(dòng)，并且只能用極其微弱、難以識(shí)別的語言交談。在1985年因患肺炎而做氣管切開手術(shù)后，霍金更是被徹底剝奪了說話的能力。當(dāng)時(shí)，美國(guó)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(jì)了一個(gè)名為“平等器”的電腦程序，其中的文本文件是Word+。這個(gè)程序可以讓霍金從屏幕上選擇詞匯，只要他按動(dòng)手中的開關(guān)選擇詞匯后，就會(huì)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)·梅森改進(jìn)了這套設(shè)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(gè)詞，如果需要，還可以把文字直接打印出來。

這臺(tái)世界上幾乎獨(dú)一無二的輪椅不僅是霍金的代步工具，也構(gòu)成霍金個(gè)人形象的一部分。它是一臺(tái)集計(jì)算機(jī)軟件、通信技術(shù)、紅外光、語音轉(zhuǎn)換器于一體的人工智能設(shè)備，通過它，霍金的思想可以轉(zhuǎn)化為語音和文字，并表達(dá)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(zhuǎn)譯成獨(dú)特的“霍金式”電子語音。輪椅上安裝有一個(gè)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(nèi)容和圖像。通過這個(gè)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(shí)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(gè)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(guān)門。

輪椅上裝有一個(gè)叫做“外圍盒”的設(shè)備，內(nèi)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(dòng)和整個(gè)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(shí)，霍金輪椅就是一部智能機(jī)器，而且它是隨著科技的發(fā)展而逐漸升級(jí)的，以上所描述的只是這臺(tái)智能輪椅的基本構(gòu)造。

發(fā)一條微博需要多久

2005年之后，霍金徹底喪失了運(yùn)動(dòng)能力——連手指都不能活動(dòng)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。

新版霍金輪椅主要通過眼動(dòng)追蹤、聯(lián)想輸入和語音合成器播放，來支持這位科學(xué)巨人與世界對(duì)話。研究人員為霍金設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的眼鏡，上面安裝了紅外線發(fā)射器和檢測(cè)肌肉活動(dòng)的探測(cè)器，可以通過霍金說話時(shí)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）這個(gè)詞時(shí)，他的面頰肌肉收縮首先激活輔助系統(tǒng)，電腦屏幕上會(huì)出現(xiàn)字母i，這時(shí)霍金的眼球動(dòng)一下，計(jì)算機(jī)就會(huì)不斷顯示以i開頭的英文字母，直到idea出現(xiàn)；霍金再動(dòng)一下眼球來表示選定這個(gè)字母，這就如同普通人用手操作鼠標(biāo)時(shí)的兩次點(diǎn)擊確定一樣。當(dāng)霍金完成造句后，就可以把這個(gè)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(shè)計(jì)的語音系統(tǒng)用的是美式英語，這讓一些人尤其是英國(guó)女王伊麗莎白，對(duì)這位英國(guó)國(guó)寶級(jí)科學(xué)家的“口音”頗有微詞。她在一次會(huì)見霍金時(shí)問，“還是美國(guó)口音嗎？”霍金回答說：“是的，而且這個(gè)聲音已經(jīng)拿到了版權(quán)?！币聋惿着鯇?duì)英語語音十分看重，以至于英國(guó)以她的發(fā)音作為英式英語的標(biāo)準(zhǔn)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(jí)后的輪椅中，霍金為了使用紅外線監(jiān)測(cè)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(jìn)一步惡化，用這種方式每分鐘僅能輸入一兩個(gè)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(shù)官賈斯汀·拉特納（Justin Rattner）組建了一個(gè)人機(jī)交流技術(shù)團(tuán)隊(duì)，團(tuán)隊(duì)成員專門去拜訪霍金，試圖為他找到解決辦法。在見面的當(dāng)時(shí)，霍金花了20分鐘，才發(fā)出一句包含30個(gè)單詞的歡迎拜訪者的話。

其后，技術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)霍金的設(shè)備進(jìn)行了改造升級(jí)，研發(fā)了一個(gè)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(jiǎn)稱ACAT）。安裝升級(jí)了這個(gè)開源項(xiàng)目后，霍金輪椅可謂升級(jí)到2.1版。雖然還是利用面部肌肉動(dòng)作來操作電腦，但ACAT允許使用者通過幾乎任何面部動(dòng)作來進(jìn)行交互操作。升級(jí)后的軟件由于集成了Swift Key人工智能預(yù)測(cè)技術(shù)，霍金僅需要輸入15%～20%的字母，電腦軟件就能預(yù)測(cè)出剩下的內(nèi)容，還能夠在每輸入一個(gè)單詞后預(yù)測(cè)出下一個(gè)可能的單詞。利用升級(jí)后的軟件，霍金對(duì)文件進(jìn)行瀏覽、編輯、管理和在多任務(wù)間進(jìn)行切換、收發(fā)電子郵件等日常任務(wù)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(gè)單詞（每20分鐘30個(gè)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(gè)單詞。有人計(jì)算，霍金在向中國(guó)公眾發(fā)一條有99個(gè)詞的微博時(shí)，即便沒有錯(cuò)誤，大約也需要30多分鐘。再加上思考以及排版、審閱等，估計(jì)霍金用了大約40分鐘時(shí)間，才完成了他向中國(guó)粉絲的第一次問候。

“腦控”，輪椅不僅屬于霍金

2.1版的霍金輪椅或許在某一天就會(huì)因?yàn)橹魅瞬∏榈牟恍壹又囟鵁o法使用，因此，人機(jī)交流專家已經(jīng)開始設(shè)計(jì)3.0版智能輪椅——也許這并非只是為霍金一個(gè)人而設(shè)計(jì)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(xí)慣了自己現(xiàn)有的輪椅，而要想習(xí)慣3.0版輪椅，這位物理大師可能還需要開始新的學(xué)習(xí)。

最新版智能輪椅是基于喉部肌肉發(fā)音時(shí)的收縮和舒張來設(shè)計(jì)的。當(dāng)人們說話時(shí)，大腦語言中樞會(huì)發(fā)出信號(hào)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(gè)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(yùn)動(dòng)。換句話說，想要說出的話即使僅僅在大腦中，大腦也會(huì)產(chǎn)生指令，讓喉嚨肌肉群運(yùn)動(dòng)。如果設(shè)計(jì)一個(gè)軟件，能夠通過“讀懂”喉嚨肌肉群的運(yùn)動(dòng)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(cè)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(guó)航天總署艾姆斯研究中心研發(fā)了一項(xiàng)技術(shù)，不僅可以讓殘障人自主控制電動(dòng)輪椅，而且能夠?qū)⑺枷耄ㄏ胝f的話）傳送到語音合成器，讓后者“說話”。首先，通過一個(gè)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(huì)自動(dòng)探測(cè)到喉部微弱的電子脈沖并“翻譯”出來，這樣的指令正確傳達(dá)給輪椅后，輪椅就會(huì)完成右轉(zhuǎn)或停下的動(dòng)作。同樣，使用者想說什么話，也可以通過軟件探測(cè)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(jī)界面，但他感到并不適應(yīng)。原因有兩個(gè)：其一，從使用面頰肌肉到通過喉部肌肉收縮來操控，有一個(gè)需要重新學(xué)習(xí)的過程，霍金還沒有適應(yīng)這種新的技能。其二，按照目前的技術(shù)，電極擺放的位置如果稍有偏移，辨識(shí)的準(zhǔn)確率就會(huì)從94%下降到50%以下。有時(shí)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(jí)的智能技術(shù)是“腦機(jī)接口”，即用思想來控制不能運(yùn)動(dòng)的四肢。美國(guó)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。從2014年起，俄亥俄州神經(jīng)中心的研究人員就開始設(shè)計(jì)一個(gè)植入伯克哈特大腦的芯片來讓其思想控制運(yùn)動(dòng)。這個(gè)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(hào)后，發(fā)送指令給鑲有130個(gè)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(dòng)。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，完成拿起杯子、刷信用卡等動(dòng)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(shí)候通過人機(jī)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(yùn)動(dòng)，也得向大腦運(yùn)動(dòng)中樞植入芯片。當(dāng)然，這種設(shè)想中的3.0版本輪椅目前還幫不到霍金，這首先是因?yàn)椋艚疬€不愿意在自己天才的大腦中植入芯片。

目前，霍金輪椅的價(jià)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(gè)“官方價(jià)格”。據(jù)粗略估算，買一臺(tái)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(jí)到3.0版，恐怕價(jià)錢更會(huì)高出許多。

多年以來，斯蒂芬·霍金每天都驅(qū)動(dòng)輪椅從他的家——?jiǎng)蛭髀?號(hào)，經(jīng)過美麗的劍河、古老的國(guó)王學(xué)院，駛到位于銀街的劍橋大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理系辦公室。如果你有機(jī)會(huì)造訪劍橋大學(xué)并路過這里，你會(huì)看到這座擁有大師的科學(xué)圣殿前面有一段斜坡，那就是為了便于霍金輪椅的運(yùn)行而特意修建的。

（摘自《中國(guó)新聞周刊》）