3 月 14 日,英国物理学家史蒂芬·霍金去世,享年 76 岁。霍金是继牛顿和爱因斯坦后最杰出的科学家之一。
 
霍金是天文学、理论物理学家,主要研究领域是宇宙论和黑洞,证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理,提出了黑洞蒸发理论和无边界的霍金宇宙模型,在统一 20 世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和普朗克创立的量子力学方面走出了重要一步。
 
很多人都把他称之为轮椅上的宇宙之王,虽然他早在 21 岁时就查明患上了肌肉萎缩性侧索硬化症(俗称“渐冻症”),甚至被医生预言只能活大概两年,然而最终他却成功地与病魔搏斗了超过半个世纪,而且作为《时间简史》的作者,以他著名的科普成就以及出色的研究成果,被世人所熟知。
 
 
对于霍金来说,尽管身体被限制在轮椅上,但数十年来,他的思绪跑得比任何人都快,与外界的交流也是自由的。能做到这些,除了自身努力外,还得益于他轮椅上众多逆天科技的支持。
 
霍金先生的轮椅,是一台集计算机软件、通信技术、红外光、语音转换器于一体的人工智能设备,通过它,他的思想可以转化为语音和文字,并表达给全世界。
 
1.0 初级版轮椅 
在霍金刚被诊断出渐冻症时,他还能依靠拐杖出行。但几年后,霍金就已经无法站立,虽然他曾十分不愿使用轮椅,但面对现实也他最后还是坐上了轮椅,并开始了与轮椅多达半个世纪的羁绊。
 
起初,轮椅仅仅是霍金的代步工具。他除了无法行走外,并没其他异常,仍可有和别人讨论物理问题,还能慢慢写下一些公式。那时的他还一度迷上了“飙轮椅”。霍金常常把轮椅调到最高速,像孩子一样把轮椅当碰碰车玩。
 
但这样的日子并没有持续很长时间,霍金的病情进一步恶化。他说话开始变得口齿不清,一开始大家还可以勉强听得懂,后来就只有他的家人和最亲密的朋友才能准确地理解和猜测他说的内容。这个时期,霍金出门时,除了需要借助轮椅之外,还需要专人进行翻译,才能与外界交流。
 
可惜,霍金的身体仍在恶化。1985 年,他在欧洲不幸染上了肺炎,医生为了保他的命,实施了气管切开手术。至此,霍金失去了发声的能力。
 
无法说话后,霍金尝试用拼字板与别人交流。在霍金的传记电影《万物理论》中,对这种方式进行过描述。霍金需要用眼神选定区域、再确定颜色,最后挑挑眉毛表示确认,一个字母一个字母得拼成词汇。
 
这样的交流方式不仅效率低下,还只能交流在双方面对面且熟知规则的情况下进行。
 
于是,霍金助理找来美国加利福尼亚 Words+公司的 CEO 帮助。他们给霍金的轮椅加上了一台装了专门软件的电脑和显示屏,还有他手上的操控器。那时,霍金只剩几根手指能动,能进行的操作也很少,但是有了这套系统,他每分钟能拼出 15-20 个单词。
 
恢复写作的同时,霍金的家人和朋友还找到了另一家公司,帮助霍金发声。这家公司生产的设备主要用于电话自动应答系统,接到来自霍金的求助倍感荣幸。他们改造了一台 CallText 5010 设备,用上了当时最好的文字转换语音处理器,在 1988 年赠送给了霍金。这样霍金在输入文字后就能大声地“说”出来了。
 
 
有意思的是,这时霍金轮椅发出的声音并不是我们现在听到的版本。在霍金的强烈要求下,这家公司为霍金制作了三种声音分别是他妻子、他女儿以及他本人的声音。但可能是因为这些工作都是由美国人完成的,霍金的语音至今都还带有明显的美式口音。
 
借助轮椅上的软件和发声器,霍金在这个时期里出版了震惊世界的《时间简史》,如今《时间简史》已经被翻译成 40 多种语言,售出 1000 多万本,被誉为最难看懂的畅销书。霍金曾高兴地说,“与在我失去说话功能前相比,我现在可以更如意地传达信息。”
 
 
后来,剑桥调节通讯公司的大卫·梅森改进了这套设备,并安装在霍金的轮椅上,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。
 
这台世界上几乎独一无二的轮椅不仅是霍金的代步工具,也构成霍金个人形象的一部分。
 
1997 年,英特尔创始人戈登·摩尔曾与霍金当面交流,他发现霍金轮椅上使用的搭载老对手 AMD 处理器的电脑,整套系统也存在很多缺点,便表示将承包霍金的硬件设备,霍金接受了英特尔的建议。
 
 

 

英特尔重新设计了霍金的轮椅,将计算机集成在轮椅上,用轮椅的电池供电,并且承诺每隔两年将硬件升级一次。
 
霍金轮椅的语音合成器安置在椅背上,可以把他写出的文字转译成独特的“霍金式”电子语音。轮椅上安装有一个 12 英寸的电子屏幕,即便在阳光下也能让他看得清楚屏幕上的内容和图像。通过这个小小的“窗口”,霍金可以写演讲稿、收发电子邮件,甚至可以用即时通信软件 Skype 来接听电话。
 
 
霍金轮椅上的平板电脑拥有 Core i7 处理器,它可以控制轮椅上所有的电子系统。轮椅上的万用遥控器是一个红外线装置,可以用来操作霍金办公室和家里的电视、音响、灯光,甚至可以用来开门、关门。
 
轮椅上装有一个叫做“外围盒”的设备,内有 USB 集线器、音响放大器和整流器,供各种子系统使用。这部轮椅的电源安装在椅座下方,供轮椅移动和整个电脑系统使用。此外,这套系统还装有一套备用电池。
 
其实,霍金轮椅就是一部智能机器,而且它是随着科技的发展而逐渐升级的。
 
2.0 升级版轮椅 
2005 年,霍金先生彻底丧失运动能力,原来通过手指选择电脑词汇的方式完全失效,为此,英特尔的创始人,通过更为先进的技术——眼动追踪、联想输入和语音合成器播放,设计出了 2.0 版的轮椅,支持这位科学巨人继续与世界对话。
 
随着霍金的病情依旧在恶化。原本仅剩能活动的三个手指也失去了行动能力。到了 2008 年,霍金全身只剩下一块右脸的肌肉能动。这样一来,就无法使用上述的方法来进行写作和交流。
 
这时,研究人员为霍金设计了一个特殊的眼镜,上面安装了红外线发射器和检测肌肉活动的探测器,可以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)这个词时,他的面颊肌肉收缩首先激活辅助系统,电脑屏幕上会出现字母 i,这时霍金的眼球动一下,计算机就会不断显示以 i 开头的英文字母,直到 idea 出现;霍金再动一下眼球来表示选定这个字母,这就如同普通人用手操作鼠标时的两次点击确定一样。
 
当霍金完成造句后,就可以把这个句子发送到语音合成器上,由后者替他“说”出来了。
 
有趣的是,由英特尔公司设计的语音系统用的是美式英语,这让一些人尤其是英国女王伊丽莎白,对这位英国国宝级科学家的“口音”颇有微词。
 
她在一次会见霍金时问:“还是美国口音吗?”霍金回答说:“是的,而且这个声音已经拿到了版权。”
 
伊丽莎白女王对英语语音十分看重,以至于英国以她的发音作为英式英语的标准音。尽管如此,霍金轮椅的智能发音系统没能取悦于女王,但是这套 2.0 版的轮椅毕竟让霍金与世界的交流延续至今。
 
霍金就用这块脸部肌肉,替代手指,继续打字。虽然仍能进行写作,但用脸打字,显然效率会进一步下降。这时,他的打字速度降成了每分钟 5-6 个单词。
 
更恶劣的是,这唯一能动的肌肉也在逐渐僵硬。霍金曾一度花了足足 20 分钟才“说”出了 30 个左右的词。
 
为了改善这种情况,英特尔的技术人员考虑过用当时最新的眼球追踪技术来替代旧系统,用眼深当光标。这项技术,比如今手眼结合用鼠标控制屏幕光标还要精准、快速、方便。
 
可惜的是,由于霍金长期受病情影响,眼睑下垂严重,导致眼球追踪技术无法准确地锁定他的目光。因此,这项技术被迫放弃。
 
2.1 改良版轮椅 
2011 年的时候,他的病情再度恶化,用这种方式,一分钟,他只能说一两个单词,因此也不得不再次向英特尔创始人摩尔求助,所以,改良版轮椅,来了!
 
因特尔首席技术官贾斯汀·拉特纳,组建了一个人机交流技术团队,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,简称 ACAT,虽然还是利用面部肌肉动作来操作电脑,但它允许使用者通过几乎任何面部动作来进行交互操作,并且,值得一提的是,升级版的设备,还拥有了人工智能预测技术。他们采集了霍金的大量文档,分析词频以及上下文关联,在霍金输入时会给出最合适的预测词。这样霍金就不再需要逐个输入字母。这个方法类似现在大多数智能手机的输入法。霍金仅仅需要输入 15%~20%的字母,电脑可以预测出剩下的内容,每输入一个单词之后,就会预测出下一个可能的单词,最终他的输入速度提高一倍,达到每分钟达到 3~4 个单词。
 
同时,新软件还添加很多便捷操作,包括一键静音,全屏幕任意位置的鼠标点击功能,快速搜索还有电子邮件。用上新软件,霍金的输入效率高了 10 倍,还能方便的用 Firefox 浏览器上网。
 
多功能感应系统
此外,轮椅还搭载了各种传感器,和带有智能算法的设备。轮椅是通过电机驱动的,电源安装在椅座下方,既可以驱动电机也可以给轮椅上的设备供电。而且轮椅前方安装有两个摄像头,可以帮助轮椅探测障碍物并避开,相当于带有一定程度的驾驶辅助功能。
 
能监测霍金的健康状态
 
跟踪记录轮椅的使用状态
 
以及通过轮椅上的摄像头,判断前方路段的安全性
 
3.0 智能轮椅 
2.1 版的霍金轮椅或许在某一天就会因为主人病情的不幸加重而无法使用,因此,人机交流专家已经开始设计 3.0 版智能轮椅——也许这并非只是为霍金一个人而设计的,所有重度残障人都可能受益于此。而且,由于霍金已经习惯了自己现有的轮椅,而要想习惯 3.0 版轮椅,这位物理大师可能还需要开始新的学习。
 
最新版智能轮椅是基于喉部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,或者说出来的话只是自己能够听到,其喉部的肌肉群也仍然有运动。
 
换句话说,想要说出的话即使仅仅在大脑中,大脑也会产生指令,让喉咙肌肉群运动。如果设计一个软件,能够通过“读懂”喉咙肌肉群的运动来判断要说出的词句,然后传输到语音合成器上,就能形成人的话语。与靠电脑软件检测脸部肌肉相比,这样的“发音”方式要直接很多。
 
根据这一原理,美国航空航天局艾姆斯研究中心研发了一项技术,不仅可以让残障人自主控制电动轮椅,而且能够将思想(想说的话)传送到语音合成器,让后者“说话”。
 
首先,通过一个贴在喉部皮肤上的电极,使用者头脑中只要有“向右”或“停下”的想法(指令),轮椅便会自动探测到喉部微弱的电子脉冲并“翻译”出来,这样的指令正确传达给轮椅后,轮椅就会完成右转或停下的动作。同样,使用者想说什么话,也可以通过软件探测到,并向语音合成器传输指令,让后者替使用者“发声”。
 
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,从使用面颊肌肉到通过喉部肌肉收缩来操控,有一个需要重新学习的过程,霍金还没有适应这种新的技能。
 
其二,按照目前的技术,电极摆放的位置如果稍有偏移,辨识的准确率就会从 94%下降到 50%以下。有时候,电极解读并发送到语音合成器“说”出来的话,并非霍金的本意。所以霍金的轮椅目前并没有正式使用这一系统。
 
更高级的智能技术是“脑机接口”,即用思想来控制不能运动的四肢。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。从 2014 年起,俄亥俄州神经中心的研究人员就开始设计一个植入伯克哈特大脑的芯片来让其思想控制运动。
 
这个植入脑部的芯片名为“神经生命”,它通过连接器与电脑相连。电脑使用特殊软件来解读大脑传来的信号后,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。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,完成拿起杯子、刷信用卡等动作。
 
同样,如果把芯片植入大脑语言中枢,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来。只是,这需要向霍金的大脑语言中枢植入芯片。如果想用思想控制轮椅的运动,也得向大脑运动中枢植入芯片。当然,由于霍金不愿意在自己天才的大脑中植入芯片,这种设想中的 3.0 版本轮椅一直没有帮到霍金