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霍金的科幻和现实
李芸芸
北京时间2016年4月12日上午,英国著名理论物理学家史蒂芬·霍金在新浪开通了个人微博.在微博上,他向中国网友问好,并表示将在社交媒体上与中国用户交流心得.两天后,霍金的粉丝达到近300万.无论是网络还是线下,霍金本来就红,在中国开微博,霍金就成为中国的网红.霍金在中国成为网红还有一个主要原因是因为他在第二条微博中发布的一个撩拨人的消息,人类可以飞向半人马星座的α星.
飞向α星现在还是科幻
霍金在第二条微博中称,他将与俄罗斯“土豪”尤里·米尔纳和“脸书”的CEO扎克伯格一起,研发第一台纳米飞行器,用它来探索半人马座α星.
半人马座是一个巨大而明亮的星座,它拥有两颗一等大星,半人马座α星和β星.半人马座α星和β星在中国古代被合称为“南门双星”,14世纪郑和下西洋时,曾利用它们来导航.不过,南门双星还有一颗伴星（比邻星,C星）,离我们只有4.2光年,是距离太阳系最近的恒星.
即便以4.2光年来计算,按照目前人类设计的航天飞船或航天飞行器的速度,到达那里大约也需要3万年.但是,按照霍金的计划,可以研发以激光推进的微型星际“飞船”,达到光速1/5的速度,如此,人类只要20年时间就能到达半人马座α星或比邻星,一睹它们的真面目.
半人马座α星和β星都是恒星,近距离探索它们肯定像现在人类要到太阳上去一样,没有走近就会被烧死.按照霍金的计划,那些“纳米飞行器”只有几厘米左右,重量不过几克,需要在上面安装探测装置,所以只能围绕半人马座α星、β星和C星进行探索,或者是重点探索围绕在这些恒星周围的其他行星,就像围绕太阳运转的地球一样,因为在那些地方才
有适宜像人一样的生物居住的环境.
为什么要探索半人马座α星或β星,霍金也没说清楚,但过去一直传说那些地方有其他的星际文明,可能像人类文明,也可能不像人类文明.所以,探索的目的应当是发现其他星球的文明（外星文明）.
不过,从现在的科技水平来看,霍金的想法还只是科幻,因为以人类现在的技术难以做到,这体现在工程材料、推进器等方面.用光束来推动纳米飞行器利用的是光压,就像太阳照到人们身上会产生热量一样,如果光照到一个物体上面,物体会获得能量,同时也会产生压力,但这个压力是十分微弱的.
无论是激光还是太阳光,要想把一个即便只有1~10克重的物体加速到光速的1/5,大概需要比一颗爆炸的总能量还要大的能量.这种极大的能量集中到纳米飞行器上只会摧毁飞行器,以现有材料制造的飞行器无法承受这样的能量,而且具有复杂结构的航天器的耐受能力可能更为脆弱.
不过,已经试验过的技术是太阳帆飞船,是单纯依靠太阳光子持续撞击帆板,逐渐将飞船在没有明显空气阻力的太空中推进到较高速度.美国、俄罗斯先后做过几次太阳帆动力试验,也仅仅是在近地轨道内尝试过,但还没有成功,也就是没有达到实用的阶段.
所以,霍金的探索半人马座α星的设想目前还只是一种想象或科幻.
轮椅才是霍金的现实
尽管探索半人马座α星在目前是科幻,但不排除人类科技进一步发展后,未来可以实现这种设想,但那也只是将来时.从眼下的现实来看,霍金能提出这种想法完全依赖于现有科技的发展和现实水平.具体而言,即便霍金要表达各种思想和学说,包括人类探索半人马座α星,也必须要依赖他不可须臾离开的轮椅.
轮椅不仅是霍金的代步工具,更重要的是,它是集计算机软件、通信技术、红外光、语音转换器等于一体的人工智能,能把霍金的思想和想法转化为语言（语音）和文字表达出来.有了它,霍金才能与他人交流并表达自己的思想,包括目前探索半人马座α星的科幻想法.
霍金的轮椅由下面一些元件组成.
语音合成器,位于椅背,可以把霍金“写”出的文字转译成霍金独特的电子语音.
眼镜和眼镜上的红外感受器,可以感知霍金脸颊肌肉的颤动.
电脑屏幕,即便在阳光下也能看得清楚屏幕上的内容和图像,可供霍金“写”演讲稿、收发电子邮件,甚至可用skype来接收电话.
平板电脑,拥有Core17处理器,可以控制轮椅上的所有电子系统.
万用遥控器,是一个红外线遥控器,可以操作办公室和家里的电视、音响、灯光,甚至开门和关门.
盒,内有通用串行总线（USB）、音响放大器和整流器,供各种子系统使用.
电源,在椅座下方,供轮椅移动和电脑系统使用,还有备用电池.
其实,霍金的轮椅就是一个智能机器,并且在逐渐改进,这个智能机器目前经历了三次升级.
霍金轮椅的1.0版本包括：轮椅,语音合成器,电机,控制器,电话答录机,液晶显示屏等.霍金在21岁时患了肌萎缩性侧索硬化症（ALS）,也称运动元神经病,是一种无法治愈而且致命的疾病.患这种病后病人慢慢丧失运动能力,到后来甚至因为呼吸肌和喉部肌肉麻痹不能发音,并因此而不能说话,常在三五年后死亡,幸运的是霍金奇迹般地生存下来.
1985年,霍金因患肺炎做了气管穿刺手术,彻底丧失了说话能力,但是还有三个手指能活动.这时,美国加利福尼亚州一位名叫瓦特·沃尔托兹的电脑工程师为霍金设计了一个名为“平等器”的电脑程序,其中的文本文件是Word+.这个程序可以让霍金从屏幕上选择词汇,只要他按动手中的开关选择词汇后,就会转入语音合成器发出声音来.
后来,剑桥调节通讯公司的大卫·梅森又改
进了这套设备,并安装在了霍金的轮椅上,使霍金“说话”的速度大大加快,每分钟可“说”出15个词,如果需要还可以把文字直接打印出来.
轮椅的2.0版本
2005年后,霍金彻底丧失了运动能力,连手指都不能活动了,这让他以前靠手指来操作轮椅上的电脑的方式完全失效,为此,英特尔的创始人摩尔设计了2.0版本的轮椅,让霍金能继续与外界交流,而且是通过交谈来实现.
这个2.0版本的轮椅主要通过眼动追踪、联想输入和语音合成器播放来帮助霍金与他人交流,并表达自己的思想.研究人员为霍金设计了一个眼镜,上面安装了红外线发射器和检测肌肉活动的探测器,通过霍金说话时面部肌肉的收缩和舒张来激活辅助系统,并用眼球控制红外线发射器,选定在屏幕中轮流出现的英文字母.
例如,当霍金想说点子（idea）时,面颊肌肉收缩激活辅助系统,电脑屏幕上会出现i字母,这时霍金的眼球动一下,电脑屏幕上就会不断显示以i开头的英文单词,直到idea出现,霍金再动一下眼球就表示选定这个字母,这就如同普通人用手操作鼠标时的两次点击确定一样.当霍金依次选择单词并造句完毕,就可把一个句子发送到语音合成器,由后者说出来.
当然,由英特尔设计的语音是美式英语,这使得作为英国人的霍金的口音是美音,让人感到怪怪的,尤其是让英国女王伊丽莎白对霍金的发音颇有微词.她在一次会见霍金时问他：“还是美国口音？”霍金回答说：“是的,而且这个声音已经拿到了版权.”人们都知道,伊丽莎白对英语的标准十分看重,以致英国以她的发音作为英式英语的标准音,而且伊丽莎白对英语的用词也严格到不遵循美式英语的约定俗成使用.例如,英国女王在圣诞和新年讲话时从来不说Merry Christmas（圣诞快乐）,而是说Happy Christmas,认为这才是正宗英语.
但不管是美音还是英音,经过人工智能的帮助,霍金通过2.0版本的轮椅再次延续了与他人的交流.
霍金使用的利用红外线监测面部肌肉活动的装置并转化为选择单词的电脑上的输入软件仍然是Word+,这个时候霍金每分钟还可以输入五六个单词,所以,每天霍金的面部肌肉都绷得紧紧的,以便其写文章、收发邮件和浏览互联网.
但是到了2011年,霍金的病情进一步恶化,每分钟仅能输入一两个词,霍金不得不再次求助于老朋友摩尔.摩尔让英特尔的首席技术官贾斯汀·拉特纳组建了一个人机交流的技术团队去拜访霍金,以便找到霍金的问题,并帮助他.然而,从见面到发出第一句有30个词的话欢迎拜访者,霍金用了20分钟.这让技术团队感到霍金与人交流的问题相当严重.
针对霍金遣词造句的困难,技术团队对霍金的设备进行了改造升级,研发了一个可供所有残障人士使用的交互系统工具包ACAT（辅助情境感知工具包）,是一个开源项目.这个版本可以算作是霍金轮椅的2.1版本,因为还是利用面部肌肉动作来操作电脑.ACAT允许使用者通过几乎任何面部动作来进行交互操作.升级后的软件由于集成了SwiftKey的人工智能预测技术,霍金仅需要输入15%~20%的字母,电脑软件就能预测出剩下的内容,还能够在霍金输入一个单词后预测出下一个可能的单词.利用升级后的软件霍金依然靠面部肌肉和眼球控制打字（输入）,但其对文件进行浏览、编辑、管理和在多任务间进行切换和收发电子邮件等日常任务的速度提高了10倍.
当然,在输入方面,效率提高并非太快.在没有使用ACAT之前,霍金的输入速度是每分钟1.5个单词（20分钟30个单词）,使用ACAT后霍金的输入速度至少提高了一倍,也就是每分钟输入三四个单词.所以人们计算霍金在向中国公众发一条有99个词的微博时,即便没有错误,也需要30多分钟.再加上思考以及排版、审阅等,估计霍金发布一条微博得用40分钟左右.
3.0版本：用思想控制轮椅
霍金使用的2.1版本的轮椅或许在某一天就会因为其病情的变化而无法使用,因此,人机交流的专家已经开始设计3.0版本的智能轮椅,但是也并非只是为霍金一人设计,而是让所有重度残障人士都可以使用.但是,由于霍金已经习惯了以前的2.1版本,而且3.0版本也需要学习,目前霍金对3.0版本的轮椅还不习惯使用.
3.0版本的智能轮椅是基于喉咙肌肉发音时的收缩和舒张来设计的.当人们说话时,大脑语言中枢会发出信号到喉咙,使喉咙的肌肉群协同收缩和舒张而发出声音.即使一个人说话不说出声,或者只是说出来只有自己能听到,喉部的肌肉群也必须要运动.因此,想要说出的话即使在大脑中,也会产生指令让喉咙肌肉群运动.如果能设计一个软件读懂喉咙肌肉群的运动要说出什么词和句子,然后传输到语音合成器上,就会形成人的话语（言语）.也就是说,当人的思维想说什么话时,由机器解读喉部肌肉的运动情况来发话,思想就可直接控制言语.当然,这还不是直接的思想控制话语,是要通过喉部肌肉运动转化,但比靠电脑软件检测脸部肌肉的运动来说话更为直接一些.
美国航空航天局艾姆斯研究中心研发了一项技术,不仅可以让残障人士自主控制电动轮椅,而且能将思想（想说的话）传送到语音合成器,让后者说话.这个软件是一个电极,可以贴在喉咙的皮肤上,使用者头脑中只要有诸如“向右”或“停下”的想法（指令）,轮椅或机器便会自动探测到喉部微弱的电子脉冲,并翻译出来,然后向轮椅传达正确的指令,让轮椅向右转或停下来.同样,一个人想说什么话,也可以通过这个软件探测到,并向语音合成器传输指令,让后者说出话来.
霍金已经尝试过这种人（脑）-机界面,但他感到并不适应.原因有两个：其一,这种软件需要他重新学习来操控,过去是靠面颊肌肉收缩和眼睛发出指令来操控轮椅和电脑,现在需要用喉部肌肉收缩来操控,显然是一种需要重新掌握的技能；其二,按照目前的技术,电极摆放的位置如果稍微偏移,辨识率就会从94%下降到50%以下,因此,不太准确.有时候,电极解读并发送到语音合成器说出来的话,并非是霍金的本意.所以霍金目前并没有使用.
尽管霍金尚未使用新的人机交流软件,但这方面的人工智能已经在帮助其他瘫痪病人了,即用思想来控制不能运动的四肢,使四肢能运动.美国大学生伯克哈特5年前因潜水意外导致颈椎脊髓受损,四肢永久瘫痪.2014年,美国俄亥俄州神经中心的研究人员设计了一个芯片（软件）植入伯克哈特大脑,让其用思想控制运动.这个在脑部植入的芯片名为“神经生命”.研究团队先用脑部扫描确定控制伯克哈特手部活动的区域,再将芯片植入该处.芯片连通一个连接器,后者又与电脑相连.电脑使用特殊软件解读大脑传来的信号,再发送指令给镶有130个电极的电子手袖套,以刺激手部肌肉,让伯克哈特得以绕过脊髓控制手部活动.
当然,伯克哈特需要训练这台计算机上的软件读懂他的想法,并对他想执行的动作进行解码,这些指令传递给右臂戴着的电极手套.经过一年多的练习,现在伯克哈特已经可以用思维控制右手及手指,拿起杯子、刷信用卡,甚至玩吉他游戏.
同样,如果把芯片植入大脑的语言中枢,就可以在大脑想说什么话的时候通过人机指令让轮椅上的语音合成器说出话来.只是,这需要向霍金的大脑语言中枢植入芯片,同时霍金还得学习如何操作电脑软件.如果霍金还想用思想控制轮椅的移动,也得向他的大脑运动中枢植入芯片.由于霍金目前还不接受,所以这种3.0版本的轮椅还帮不到霍金,但终有一天霍金和其他类似的残障者可能会用上.
当然,霍金的轮椅的可能也会影响到残障者的使用.由于目前霍金的轮椅都是科技公司的友情赞助,没有让霍金埋单,因此也没有一个准确的.有人粗略估算了一下,大概得花95万~100万美元.如果再发展到3.0版本,恐怕价钱更高.
【责任编辑】张田勘
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