霍金輪椅上的“黑科技”

“宇宙之王”從此羈絆輪椅

霍金在21歲時(shí)被診斷出患病后，他的肌肉漸漸失去力量，萎縮，并蔓延到呼吸和吞咽的相關(guān)肌肉群。

隨著病情持續(xù)惡化，霍金開(kāi)始依靠拐杖出行。幾年后，霍金就已經(jīng)無(wú)法站立，雖然他十分不愿使用輪椅，但面對(duì)現(xiàn)實(shí)，他只有這一個(gè)選擇。從此，霍金與輪椅將近50年的羈絆正式開(kāi)始。

起初，輪椅只是霍金的代步工具，除了行動(dòng)上的不便之外，他并沒(méi)有什么異于常人，依舊能和別人談笑風(fēng)生，還能緩慢地寫(xiě)下一些公式。

移居美國(guó)后，霍金坐上了電動(dòng)輪椅，發(fā)展出了“飚輪椅”的特殊愛(ài)好，常常把輪椅調(diào)到最高速，在人行道上橫沖直撞。

不過(guò)，很快霍金就沒(méi)有心情繼續(xù)“飚輪椅”了，病情再度惡化，他不能寫(xiě)字，說(shuō)話也開(kāi)始變得含含糊糊。一開(kāi)始大家還可以勉強(qiáng)聽(tīng)得懂，后來(lái)就只有他的家人和最親密的朋友才能準(zhǔn)確地理解和猜測(cè)他說(shuō)的內(nèi)容。那個(gè)時(shí)期，霍金出門除了輪椅相伴，還得帶上一個(gè)“首席發(fā)言人”。

親愛(ài)的小讀者，你知道霍金嗎？他是繼愛(ài)因斯坦之后最杰出的理論物理學(xué)家，被譽(yù)為“宇宙之王”?；艚鹛岢龅摹坝钪娲蟊ㄗ云纥c(diǎn)開(kāi)始”“黑洞最終會(huì)蒸發(fā)”等理論，極大拓展了人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。

霍金因患肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥（一種病因至今不明的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元疾病，又名“漸凍癥”），幾乎全身癱瘓，后來(lái)又因?yàn)閷?shí)行氣管切開(kāi)手術(shù)，從而失去語(yǔ)言能力。很難想象，抓不起筆，開(kāi)不了口，連生活都不能自理的霍金不僅寫(xiě)了10多本暢銷書(shū)，發(fā)表了多篇有影響力的論文，還參演了多部影視劇作品。這些成就的取得離不開(kāi)他的輪椅，為了讓霍金“說(shuō)話”，科學(xué)家在他的輪椅上裝了很多黑科技，下面就讓我們來(lái)看看吧。

最原始的拼寫(xiě)板

其實(shí)，此時(shí)的霍金還是幸福的，起碼他還能夠一句一句地表達(dá)，但不幸的是，霍金于1985年在歐洲訪問(wèn)時(shí)患上嚴(yán)重的肺炎，醫(yī)生實(shí)施了氣管切開(kāi)手術(shù)，他從此永遠(yuǎn)失去了發(fā)聲的能力。

失聲后，為了與人溝通，霍金嘗試了很多方法，但沒(méi)有一種能讓人滿意的，比如最原始的拼寫(xiě)板的方法?；艚鹦枰醚凵襁x定區(qū)域、確定顏色，最后挑一下眉毛表示確認(rèn)，一個(gè)字母一個(gè)字母地拼成詞匯。這套“眉目傳情”的拼寫(xiě)法必須要有兩個(gè)人才能完成，拼一個(gè)單詞要花上幾分鐘，麻煩至極。

借助軟件，霍金重新“開(kāi)口說(shuō)話”

重新讓霍金說(shuō)上話，不僅僅是他自己的愿望，也是學(xué)術(shù)界迫切的需求。物理學(xué)家馬丁·金最先想到用一套輔助軟件來(lái)跟霍金交流，便找到了美國(guó)加利福尼亞Words+公司的CEO，請(qǐng)求他幫助霍金。這位CEO得知要幫助的是霍金，立馬表示將全力以赴。

為了方便地運(yùn)行這套軟件，Words+公司的工程師們?cè)诨艚鸬妮喴紊习惭b了AppleII電腦以及一個(gè)顯示器。這套系統(tǒng)的原理其實(shí)很簡(jiǎn)單：光標(biāo)會(huì)一行一行地掃過(guò)屏幕上顯示的字母表，霍金只需在光標(biāo)經(jīng)過(guò)想要的字母時(shí)給電腦一個(gè)確認(rèn)指令便能輸入。

那時(shí)候，霍金的雙手還有一定的運(yùn)動(dòng)能力，不僅能自己操縱輪椅，對(duì)輔助軟件的使用也完全不成問(wèn)題，畢竟整套軟件只需一兩個(gè)按鍵就可以操作。

這套軟件解決了霍金的寫(xiě)字問(wèn)題，他已經(jīng)可以方便地寫(xiě)作。但是，在生活中單單只有文字是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，霍金的家人朋友們又找到了一家開(kāi)發(fā)語(yǔ)音合成器的公司，希望尋求幫助。

為了幫助霍金，這家公司改造了一臺(tái)CallText 5010設(shè)備，用上了當(dāng)時(shí)最好的文字轉(zhuǎn)換語(yǔ)音處理器，在1988年贈(zèng)送給了霍金。這樣，霍金在輸入文字后就能大聲地“說(shuō)”出來(lái)了，仿佛重獲新生。

靠著各種黑科技附加在身的輪椅，霍金得以繼續(xù)寫(xiě)作出書(shū)，他重新整理了之前的書(shū)稿，出版了震驚世界的《時(shí)間簡(jiǎn)史》。如今，《時(shí)間簡(jiǎn)史》已經(jīng)被翻譯成40多種語(yǔ)言，售出1000多萬(wàn)本，被譽(yù)為最難看懂的暢銷書(shū)。霍金很高興地說(shuō)：“與我失去說(shuō)話功能前相比，我現(xiàn)在可以更如意地傳達(dá)信息?！?/p>

通過(guò)掃描肌肉，讓霍金“說(shuō)話”

1997年，英特爾公司重新設(shè)計(jì)了霍金的輪椅，將計(jì)算機(jī)集成在輪椅上，用輪椅的電池供電，并且承諾每隔兩年便將硬件升級(jí)一次。

然而，歲月如刀，不僅奪走了霍金的運(yùn)動(dòng)能力、發(fā)聲能力，甚至連最后能活動(dòng)的三根手指頭也不放過(guò)。2005年起，霍金只能用一根手指操作整臺(tái)輪椅了，短短三年之后，他已經(jīng)連手指都無(wú)法控制了，僅剩下面部的部分肌肉還可以活動(dòng)，他的裝備面臨又一次的大改造。

霍金的研究生助理靈機(jī)一動(dòng)，為他設(shè)計(jì)了一個(gè)“cheek switch”裝置，這個(gè)裝置可以安裝在眼鏡框上，用紅外線檢測(cè)霍金右臉頰的一塊肌肉活動(dòng)。

這種控制方法類似于智能手機(jī)上的距離感應(yīng)傳感器，傳感器發(fā)射肉眼不可見(jiàn)的紅外光束，根據(jù)目標(biāo)物反射的強(qiáng)度檢測(cè)距離?；艚鹗湛s面部肌肉，傳感器接收到一個(gè)變化的信號(hào)，則反饋給電腦一個(gè)確認(rèn)動(dòng)作。這種方式可以完全替代之前使用的手動(dòng)點(diǎn)擊操作，并且不改變?cè)瓉?lái)的操作邏輯。

隨著霍金輪椅的升級(jí)，他也從“一根手指闖天下”進(jìn)化為“一塊肌肉的表演藝術(shù)”，但霍金的“說(shuō)話”速度還是降到了每分鐘5～6個(gè)單詞。

跟蹤眼球也無(wú)法讓霍金說(shuō)話了

好景不長(zhǎng)。很快，霍金的輸入效率就大幅下降，到了每分鐘一個(gè)單詞的地步?；艚鹈娌康募∪庖查_(kāi)始退化，無(wú)法精準(zhǔn)地控制肌肉運(yùn)動(dòng)，常常陷入選錯(cuò)字母的困境，只好再度求助于英特爾團(tuán)隊(duì)。

在英特爾的實(shí)驗(yàn)室里，霍金花了足足20分鐘才“說(shuō)”出了大概30個(gè)詞的問(wèn)候語(yǔ)。霍金打字時(shí)的痛苦與無(wú)奈工程師們都看在眼里，他們都十分希望能幫到霍金，便考慮使用眼球跟蹤技術(shù)（檢測(cè)眼部細(xì)微運(yùn)動(dòng)）來(lái)識(shí)別霍金想要說(shuō)的話。

不幸的是，霍金的病情已經(jīng)造成了眼瞼嚴(yán)重下垂，眼球追蹤技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確鎖定霍金的目光，此方案只好放棄了。

腦電波識(shí)別技術(shù)失敗了

除了眼球跟蹤技術(shù)，工程師們還讓霍金嘗試了頗為科幻的腦電波識(shí)別技術(shù)。但是，也許是因?yàn)榛艚鸢c瘓多年，大腦對(duì)肢體的控制功能已經(jīng)退化了，即便是戴上專業(yè)的腦電波帽，也無(wú)法檢測(cè)出強(qiáng)度足夠的信號(hào)。

除此之外，腦電波識(shí)別技術(shù)還需要經(jīng)過(guò)大量的訓(xùn)練才能夠有比較高的識(shí)別率，這點(diǎn)對(duì)于年過(guò)七旬的霍金來(lái)說(shuō)難度比較大。

智能軟件立大功

沒(méi)辦法，工程師團(tuán)隊(duì)只好另辟蹊徑，將重點(diǎn)放在了改善軟件輸入效率的方向上。他們采集了霍金的大量文檔，分析詞頻以及上下文關(guān)聯(lián)，在霍金輸入時(shí)會(huì)給出最合適的預(yù)測(cè)詞。比如輸入“Stephen”，軟件會(huì)聯(lián)想出“Hawking”。

同時(shí)，新軟件還添加了很多便捷操作，包括“一鍵靜音”、鼠標(biāo)點(diǎn)擊功能、快速搜索等。用上新軟件，霍金的輸入效率—下子提高了約10倍，還能方便地使用Firefox瀏覽器上網(wǎng)。2016年，霍金還開(kāi)通了微博，親自發(fā)博文與中國(guó)網(wǎng)友交流，嚇得網(wǎng)友們以為自己“在做夢(mèng)”。

霍金也毫不掩飾對(duì)新軟件的喜愛(ài)，他說(shuō)：“希望它在接下來(lái)的20年里繼續(xù)為我服務(wù)?！?/p>

正是由于有了這些高科技，癱瘓輪椅幾十年，身不能動(dòng)、口不能言的霍金依然能與我們分享他對(duì)宇宙的深刻洞見(jiàn)，讓這位偉大科學(xué)家的精神之火繼續(xù)照亮人類前行的道路。

（小文摘編自“中科院物理所”微信公眾號(hào)）