百科：霍金的科幻與現(xiàn)實

北京時間2016年4月12日上午，英國著名理論物理學家史蒂芬·霍金在新浪開通了個人微博。在微博上，他向中國網(wǎng)友問好，并表示將在社交媒體上與中國用戶交流心得。兩天后，霍金的粉絲達到近300萬。無論是網(wǎng)絡還是線下，霍金本來就紅，在中國開微博，霍金就成為中國的網(wǎng)紅?；艚鹪谥袊蔀榫W(wǎng)紅還有一個主要原因是因為他在第二條微博中發(fā)布的一個撩撥人的消息，人類可以飛向半人馬星座的α星。
　　
　　飛向α星現(xiàn)在還是科幻
　　霍金在第二條微博中稱，他將與俄羅斯“土豪”尤里·米爾納和“臉書”的CEO扎克伯格一起，研發(fā)第一臺納米飛行器，用它來探索半人馬座α星。
　　半人馬座是一個巨大而明亮的星座，它擁有兩顆一等大星，半人馬座α星和β星。半人馬座α星和β星在中國古代被合稱為“南門雙星”，14世紀鄭和下西洋時，曾利用它們來導航。不過，南門雙星還有一顆伴星（比鄰星，C星），離我們只有4.2光年，是距離太陽系最近的恒星。
　　即便以4.2光年來計算，按照目前人類設計的航天飛船或航天飛行器的速度，到達那里大約也需要3萬年。但是，按照霍金的計劃，可以研發(fā)以激光推進的微型星際“飛船”，達到光速1/5的速度，如此，人類只要20年時間就能到達半人馬座α星或比鄰星，一睹它們的真面目。
　　半人馬座α星和β星都是恒星，近距離探索它們肯定像現(xiàn)在人類要到太陽上去一樣，沒有走近就會被燒死。按照霍金的計劃，那些“納米飛行器”只有幾厘米左右，重量不過幾克，需要在上面安裝探測裝置，所以只能圍繞半人馬座α星、β星和C星進行探索，或者是重點探索圍繞在這些恒星周圍的其他行星，就像圍繞太陽運轉(zhuǎn)的地球一樣，因為在那些地方才有適宜像人一樣的生物居住的環(huán)境。
　　為什么要探索半人馬座α星或β星，霍金也沒說清楚，但過去一直傳說那些地方有其他的星際文明，可能像人類文明，也可能不像人類文明。所以，探索的目的應當是發(fā)現(xiàn)其他星球的文明（外星文明）。
　　不過，從現(xiàn)在的科技水平來看，霍金的想法還只是科幻，因為以人類現(xiàn)在的技術(shù)難以做到，這體現(xiàn)在工程材料、推進器等方面。用光束來推動納米飛行器利用的是光壓，就像太陽照到人們身上會產(chǎn)生熱量一樣，如果光照到一個物體上面，物體會獲得能量，同時也會產(chǎn)生壓力，但這個壓力是十分微弱的。
　　無論是激光還是太陽光，要想把一個即便只有1～10克重的物體加速到光速的1/5，大概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只會摧毀飛行器，以現(xiàn)有材料制造的飛行器無法承受這樣的能量，而且具有復雜結(jié)構(gòu)的航天器的耐受能力可能更為脆弱。
　　不過，已經(jīng)試驗過的技術(shù)是太陽帆飛船，是單純依靠太陽光子持續(xù)撞擊帆板，逐漸將飛船在沒有明顯空氣阻力的太空中推進到較高速度。美國、俄羅斯先后做過幾次太陽帆動力試驗，也僅僅是在近地軌道內(nèi)嘗試過，但還沒有成功，也就是沒有達到實用的階段。
　　所以，霍金的探索半人馬座α星的設想目前還只是一種想象或科幻。
　　輪椅才是霍金的現(xiàn)實
　　盡管探索半人馬座α星在目前是科幻，但不排除人類科技進一步發(fā)展后，未來可以實現(xiàn)這種設想，但那也只是將來時。從眼下的現(xiàn)實來看，霍金能提出這種想法完全依賴于現(xiàn)有科技的發(fā)展和現(xiàn)實水平。具體而言，即便霍金要表達各種思想和學說，包括人類探索半人馬座α星，也必須要依賴他不可須臾離開的輪椅。
　　輪椅不僅是霍金的代步工具，更重要的是，它是集計算機軟件、通信技術(shù)、紅外光、語音轉(zhuǎn)換器等于一體的人工智能，能把霍金的思想和想法轉(zhuǎn)化為語言（語音）和文字表達出來。有了它，霍金才能與他人交流并表達自己的思想，包括目前探索半人馬座α星的科幻想法。
　　霍金的輪椅由下面一些元件組成。
　　語音合成器，位于椅背，可以把霍金“寫”出的文字轉(zhuǎn)譯成霍金獨特的電子語音。
　　眼鏡和眼鏡上的紅外感受器，可以感知霍金臉頰肌肉的顫動。
　　電腦屏幕，即便在陽光下也能看得清楚屏幕上的內(nèi)容和圖像，可供霍金“寫”演講稿、收發(fā)電子郵件，甚至可用skype來接收電話。
　　平板電腦，擁有Core17處理器，可以控制輪椅上的所有電子系統(tǒng)。
　　萬用遙控器，是一個紅外線遙控器，可以操作辦公室和家里的電視、音響、燈光，甚至開門和關(guān)門。
　　外圍盒，內(nèi)有通用串行總線（USB）、音響放大器和整流器，供各種子系統(tǒng)使用。
　　電源，在椅座下方，供輪椅移動和電腦系統(tǒng)使用，還有備用電池。
　　其實，霍金的輪椅就是一個智能機器，并且在逐漸改進，這個智能機器目前經(jīng)歷了三次升級。
　　霍金輪椅的1.0版本包括：輪椅，語音合成器，電機，控制器，電話答錄機，液晶顯示屏等?；艚鹪?1歲時患了肌萎縮性側(cè)索硬化癥（ALS），也稱運動元神經(jīng)病，是一種無法治愈而且致命的疾病?；歼@種病后病人慢慢喪失運動能力，到后來甚至因為呼吸肌和喉部肌肉麻痹不能發(fā)音，并因此而不能說話，常在三五年后死亡，幸運的是霍金奇跡般地生存下來。
　　1985年，霍金因患肺炎做了氣管穿刺手術(shù)，徹底喪失了說話能力，但是還有三個手指能活動。這時，美國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計了一個名為“平等器”的電腦程序，其中的文本文件是Word+。這個程序可以讓霍金從屏幕上選擇詞匯，只要他按動手中的開關(guān)選擇詞匯后，就會轉(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)·梅森又改進了這套設備，并安裝在了霍金的輪椅上，使霍金“說話”的速度大大加快，每分鐘可“說”出15個詞，如果需要還可以把文字直接打印出來。
　　輪椅的2.0版本
　　2005年后，霍金徹底喪失了運動能力，連手指都不能活動了，這讓他以前靠手指來操作輪椅上的電腦的方式完全失效，為此，英特爾的創(chuàng)始人摩爾設計了2.0版本的輪椅，讓霍金能繼續(xù)與外界交流，而且是通過交談來實現(xiàn)。這個2.0版本的輪椅主要通過眼動追蹤、聯(lián)想輸入和語音合成器播放來幫助霍金與他人交流，并表達自己的思想。研究人員為霍金設計了一個眼鏡，上面安裝了紅外線發(fā)射器和檢測肌肉活動的探測器，通過霍金說話時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，當霍金想說點子（idea）時，面頰肌肉收縮激活輔助系統(tǒng)，電腦屏幕上會出現(xiàn)i字母，這時霍金的眼球動一下，電腦屏幕上就會不斷顯示以i開頭的英文單詞，直到idea出現(xiàn)，霍金再動一下眼球就表示選定這個字母，這就如同普通人用手操作鼠標時的兩次點擊確定一樣。當霍金依次選擇單詞并造句完畢，就可把一個句子發(fā)送到語音合成器，由后者說出來。
　　當然，由英特爾設計的語音是美式英語，這使得作為英國人的霍金的口音是美音，讓人感到怪怪的，尤其是讓英國女王伊麗莎白對霍金的發(fā)音頗有微詞。她在一次會見霍金時問他：“還是美國口音？”霍金回答說：“是的，而且這個聲音已經(jīng)拿到了版權(quán)?！比藗兌贾溃聋惿讓τ⒄Z的標準十分看重，以致英國以她的發(fā)音作為英式英語的標準音，而且伊麗莎白對英語的用詞也嚴格到不遵循美式英語的約定俗成使用。例如，英國女王在圣誕和新年講話時從來不說Merry Christmas（圣誕快樂），而是說Happy Christmas，認為這才是正宗英語。
　　但不管是美音還是英音，經(jīng)過人工智能的幫助，霍金通過2.0版本的輪椅再次延續(xù)了與他人的交流。
　　霍金使用的利用紅外線監(jiān)測面部肌肉活動的裝置并轉(zhuǎn)化為選擇單詞的電腦上的輸入軟件仍然是Word+，這個時候霍金每分鐘還可以輸入五六個單詞，所以，每天霍金的面部肌肉都繃得緊緊的，以便其寫文章、收發(fā)郵件和瀏覽互聯(lián)網(wǎng)。
　　但是到了2011年，霍金的病情進一步惡化，每分鐘僅能輸入一兩個詞，霍金不得不再次求助于老朋友摩爾。摩爾讓英特爾的首席技術(shù)官賈斯汀·拉特納組建了一個人機交流的技術(shù)團隊去拜訪霍金，以便找到霍金的問題，并幫助他。然而，從見面到發(fā)出第一句有30個詞的話歡迎拜訪者，霍金用了20分鐘。這讓技術(shù)團隊感到霍金與人交流的問題相當嚴重。
　　針對霍金遣詞造句的困難，技術(shù)團隊對霍金的設備進行了改造升級，研發(fā)了一個可供所有殘障人士使用的交互系統(tǒng)工具包ACAT（輔助情境感知工具包），是一個開源項目。這個版本可以算作是霍金輪椅的2.1版本，因為還是利用面部肌肉動作來操作電腦。ACAT允許使用者通過幾乎任何面部動作來進行交互操作。升級后的軟件由于集成了SwiftKey的人工智能預測技術(shù)，霍金僅需要輸入15%～20%的字母，電腦軟件就能預測出剩下的內(nèi)容，還能夠在霍金輸入一個單詞后預測出下一個可能的單詞。利用升級后的軟件霍金依然靠面部肌肉和眼球控制打字（輸入），但其對文件進行瀏覽、編輯、管理和在多任務間進行切換和收發(fā)電子郵件等日常任務的速度提高了10倍。
　　當然，在輸入方面，效率提高并非太快。在沒有使用ACAT之前，霍金的輸入速度是每分鐘1.5個單詞（20分鐘30個單詞），使用ACAT后霍金的輸入速度至少提高了一倍，也就是每分鐘輸入三四個單詞。所以人們計算霍金在向中國公眾發(fā)一條有99個詞的微博時，即便沒有錯誤，也需要30多分鐘。再加上思考以及排版、審閱等，估計霍金發(fā)布一條微博得用40分鐘左右。
　　3.0版本：用思想控制輪椅
　　霍金使用的2.1版本的輪椅或許在某一天就會因為其病情的變化而無法使用，因此，人機交流的專家已經(jīng)開始設計3.0版本的智能輪椅，但是也并非只是為霍金一人設計，而是讓所有重度殘障人士都可以使用。但是，由于霍金已經(jīng)習慣了以前的2.1版本，而且3.0版本也需要學習，目前霍金對3.0版本的輪椅還不習慣使用。
　　3.0版本的智能輪椅是基于喉嚨肌肉發(fā)音時的收縮和舒張來設計的。當人們說話時，大腦語言中樞會發(fā)出信號到喉嚨，使喉嚨的肌肉群協(xié)同收縮和舒張而發(fā)出聲音。即使一個人說話不說出聲，或者只是說出來只有自己能聽到，喉部的肌肉群也必須要運動。因此，想要說出的話即使在大腦中，也會產(chǎn)生指令讓喉嚨肌肉群運動。如果能設計一個軟件讀懂喉嚨肌肉群的運動要說出什么詞和句子，然后傳輸?shù)秸Z音合成器上，就會形成人的話語（言語）。也就是說，當人的思維想說什么話時，由機器解讀喉部肌肉的運動情況來發(fā)話，思想就可直接控制言語。當然，這還不是直接的思想控制話語，是要通過喉部肌肉運動轉(zhuǎn)化，但比靠電腦軟件檢測臉部肌肉的運動來說話更為直接一些。
　　美國航空航天局艾姆斯研究中心研發(fā)了一項技術(shù)，不僅可以讓殘障人士自主控制電動輪椅，而且能將思想（想說的話）傳送到語音合成器，讓后者說話。這個軟件是一個電極，可以貼在喉嚨的皮膚上，使用者頭腦中只要有諸如“向右”或“停下”的想法（指令），輪椅或機器便會自動探測到喉部微弱的電子脈沖，并翻譯出來，然后向輪椅傳達正確的指令，讓輪椅向右轉(zhuǎn)或停下來。同樣，一個人想說什么話，也可以通過這個軟件探測到，并向語音合成器傳輸指令，讓后者說出話來。
　　霍金已經(jīng)嘗試過這種人（腦）-機界面，但他感到并不適應。原因有兩個：其一，這種軟件需要他重新學習來操控，過去是靠面頰肌肉收縮和眼睛發(fā)出指令來操控輪椅和電腦，現(xiàn)在需要用喉部肌肉收縮來操控，顯然是一種需要重新掌握的技能;其二，按照目前的技術(shù)，電極擺放的位置如果稍微偏移，辨識率就會從94%下降到50%以下，因此，不太準確。有時候，電極解讀并發(fā)送到語音合成器說出來的話，并非是霍金的本意。所以霍金目前并沒有使用。
　　盡管霍金尚未使用新的人機交流軟件，但這方面的人工智能已經(jīng)在幫助其他癱瘓病人了，即用思想來控制不能運動的四肢，使四肢能運動。美國大學生伯克哈特5年前因潛水意外導致頸椎脊髓受損，四肢永久癱瘓。2014年，美國俄亥俄州神經(jīng)中心的研究人員設計了一個芯片（軟件）植入伯克哈特大腦，讓其用思想控制運動。這個在腦部植入的芯片名為“神經(jīng)生命”。研究團隊先用腦部掃描確定控制伯克哈特手部活動的區(qū)域，再將芯片植入該處。芯片連通一個連接器，后者又與電腦相連。電腦使用特殊軟件解讀大腦傳來的信號，再發(fā)送指令給鑲有130個電極的電子手袖套，以刺激手部肌肉，讓伯克哈特得以繞過脊髓控制手部活動。
　　當然，伯克哈特需要訓練這臺計算機上的軟件讀懂他的想法，并對他想執(zhí)行的動作進行解碼，這些指令傳遞給右臂戴著的電極手套。經(jīng)過一年多的練習，現(xiàn)在伯克哈特已經(jīng)可以用思維控制右手及手指，拿起杯子、刷信用卡，甚至玩吉他游戲。
　　同樣，如果把芯片植入大腦的語言中樞，就可以在大腦想說什么話的時候通過人機指令讓輪椅上的語音合成器說出話來。只是，這需要向霍金的大腦語言中樞植入芯片，同時霍金還得學習如何操作電腦軟件。如果霍金還想用思想控制輪椅的移動，也得向他的大腦運動中樞植入芯片。由于霍金目前還不接受，所以這種3.0版本的輪椅還幫不到霍金，但終有一天霍金和其他類似的殘障者可能會用上。
　　當然，霍金的輪椅的價格可能也會影響到殘障者的使用。由于目前霍金的輪椅都是科技公司的友情贊助，沒有讓霍金埋單，因此也沒有一個準確的價格。有人粗略估算了一下，大概得花95萬～100萬美元。如果再發(fā)展到3.0版本，恐怕價錢更高。
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