揭秘霍金的神秘輪椅

3月14日，著名物理學(xué)家霍金去世，享年76歲。他是繼牛頓和愛(ài)因斯坦后最杰出的科學(xué)家之一，被譽(yù)為宇宙之王。但不幸的是，他在21歲就被確診為“漸凍癥”，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，輪椅幾乎是他的全部。那么，這臺(tái)輪椅有何獨(dú)特之處呢？

霍金的輪椅就是一部智能機(jī)器

1963年，21歲的霍金不幸被診斷患有肌肉萎縮性側(cè)索硬化癥（又稱“漸凍癥”）。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(yǔ)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(shuō)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(yǔ)音合成器，發(fā)出聲音來(lái)。

后來(lái)，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(shuō)話”的速度大大加快，每分鐘可“說(shuō)”出15個(gè)詞，如果需要，還可以把文字直接打印出來(lái)。

這臺(tái)世界上幾乎獨(dú)一無(wú)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(yǔ)音轉(zhuǎn)換器于一體的人工智能設(shè)備，通過(guò)它，霍金的思想可以轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音和文字，并表達(dá)給全世界。

霍金輪椅的語(yǔ)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(yǔ)音。輪椅上安裝有一個(gè)12英寸的電子屏幕，即便在陽(yáng)光下也能讓他看得清楚屏幕上的內(nèi)容和圖像。通過(guò)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(lái)接聽(tīng)電話。

霍金輪椅上的平板電腦擁有Core i7處理器，它可以控制輪椅上所有的電子系統(tǒng)。輪椅上的萬(wàn)用遙控器是一個(gè)紅外線裝置，可以用來(lái)操作霍金辦公室和家里的電視、音響、燈光，甚至可以用來(lái)開門、關(guān)門。

輪椅上裝有一個(gè)叫“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。

利用面部肌肉動(dòng)作來(lái)操作電腦

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。為此，英特爾的創(chuàng)始人戈登·摩爾為他設(shè)計(jì)了2.0版的輪椅。新版霍金輪椅主要通過(guò)眼動(dòng)追蹤、聯(lián)想輸入和語(yǔ)音合成器播放，來(lái)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(guò)霍金說(shuō)話時(shí)面部肌肉的收縮和舒張來(lái)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(shuō)“點(diǎn)子”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(lái)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(yǔ)音合成器上，由后者替他“說(shuō)”出來(lái)了。

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。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(lái)操作電腦，但ACAT允許使用者通過(guò)幾乎任何面部動(dòng)作來(lái)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。

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(méi)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(wèn)候。

“腦控”版輪椅讓重度殘障者受益

如今，人機(jī)交流專家已經(jīng)開始設(shè)計(jì)3.0版智能輪椅，將來(lái)所有重度殘障者都可能受益于此。

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(lái)設(shè)計(jì)的。當(dāng)人們說(shuō)話時(shí)，大腦語(yǔ)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。根據(jù)這一原理，美國(guó)航空航天局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(shuō)的話）傳送到語(yǔ)音合成器，讓后者“說(shuō)話”。

首先，通過(guò)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(lái)，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(shuō)什么話，也可以通過(guò)軟件探測(cè)到，并向語(yǔ)音合成器傳輸指令，讓后者替使用者“發(fā)聲”。

霍金曾經(jīng)嘗試過(guò)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(guò)喉部肌肉收縮來(lái)操控，有一個(gè)需要重新學(xué)習(xí)的過(guò)程，霍金還沒(méi)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(yǔ)音合成器“說(shuō)”出來(lái)的話，并非霍金的本意。所以霍金的輪椅并沒(méi)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(lái)控制不能運(yùn)動(dòng)的四肢。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)植入大腦的芯片來(lái)讓思想控制運(yùn)動(dòng)。這個(gè)植入腦部的芯片名為“神經(jīng)生命”，它通過(guò)連接器與電腦相連。電腦使用特殊軟件來(lái)解讀大腦傳來(lái)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，讓人得以繞過(guò)脊髓，控制手部活動(dòng)。同樣，如果把芯片植入大腦語(yǔ)言中樞，就可以在大腦想說(shuō)什么話的時(shí)候通過(guò)人機(jī)指令讓輪椅上的語(yǔ)音合成器說(shuō)出來(lái)。

目前，霍金輪椅的價(jià)格是普通殘障者所可望而不可即的。如果將來(lái)真的升級(jí)到3.0版，恐怕價(jià)錢更會(huì)高出許多。

（中新網(wǎng)2016.5.8等）