科技報報/霍金的輪椅:一體化的人工智慧設備 科技巔峰

輪椅:霍金形象的一部分。

從4月12日開通新浪微博到現在,史蒂芬•霍金一共只發了兩條資訊,然而這兩條微博就為他『賺取』了300多萬大陸粉絲。他的第一條向大陸網友問好的微博就獲得近百萬點讚,此外還有評論和轉發各40多萬條。相隔一天之後,他在第二條微博中發出的消息再次引起轟動——研發一台『奈米飛行器』,將讓人類飛達半人馬星座的α星。

根據中新網報導,霍金在微博中稱,加入這一計劃的,還有俄羅斯『土豪』尤里•米爾納和臉書(Facebook)創始人祖克柏。

不僅物理大師組的這個『局』堪稱夢幻組合,而且他的『突破攝星』計劃也讓人充滿遐想:用鐳射推進的微型星際飛船,以1/5光速的速度,花20年左右的時間就能到達半人馬座α星並發回照片。

實際上,以目前人類在工程材料、推進器等方面的技術水準,無論是用鐳射還是太陽光,要想把一個即便只有1~10克重的物體加速到光速的1/5,大概也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『奈米飛行器』上首先會摧毀它。所以,用目前科技發展的眼光來看,霍金探索半人馬座α星的計劃或許還只是科幻。事實上,能夠體現當今科學發展水準的,卻是將這位科學天才的身體禁錮了50多年的那台輪椅。

在霍金的第一條微博發出之後,就有大陸網友發問:全身不能動的霍金發一條微博需要多久?回答這個問題,要從這位當今人類『最強大腦』的標誌性的形象說起。

霍金17歲就入讀牛津大學攻讀自然科學,他用了很短時間就得到了一等榮譽學位,隨後轉讀劍橋大學研究宇宙學。

1963年,21歲的他不幸被診斷患有肌肉萎縮性側索硬化症(又稱盧伽雷氏症)。這是一種無法治癒的致命疾病,病人會慢慢喪失運動能力,後期甚至因為呼吸肌和喉部肌肉麻痺而不能發音,並因而失語。

當時醫生判斷霍金只能活兩三年,然而他後來卻堅強地一直活下來,但疾病使霍金的身體嚴重變形,頭只能朝右邊傾斜,肩膀左低右高,雙手緊緊並在當中,握著手掌大小的擬聲器鍵盤,兩腳則朝內扭曲,嘴幾乎歪成S形。

數十年來,這樣奇特的形象和那台輪椅,在全世界面前定格成為一個天才科學家的符號。患病之後,霍金全身只有三根手指和兩隻眼睛可以活動,並且只能用極其微弱、難以識別的語言交談。在1985年因患肺炎而做氣管切開手術後,霍金更是被徹底剝奪了說話的能力。

當時,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,其中的文字檔是Word 。這個程序可以讓霍金從螢幕上選擇辭彙,只要他按動手中的開關選擇辭彙後,就會轉入語音合成器,發出聲音來。

後來,劍橋調節通訊公司的大衛•梅森改進了這套設備,並安裝在霍金的輪椅上,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,還可以把文字直接列印出來。

這台世界上幾乎獨一無二的輪椅不僅是霍金的代步工具,也構成霍金個人形象的一部分。它是一台集電腦軟體、通信技術、紅外光、語音轉換器於一體的人工智慧設備,透過它,霍金的思想可以轉化為語音和文字,並表達給全世界——包括他的數百萬新浪微博粉絲。

霍金輪椅的語音合成器安置在椅背上,可以把他寫出的文字轉譯成獨特的『霍金式』電子語音。輪椅上安裝有一個12英寸的電子螢幕,即便在陽光下也能讓他看得清楚螢幕上的內容和圖像。透過這個小小的『窗口』,霍金可以寫演講稿、收發電子郵件,甚至可以用即時通信軟體Skype來接聽電話。

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。輪椅上的萬用遙控器是一個紅外線裝置,可以用來操作霍金辦公室和家裡的電視、音響、燈光,甚至可以用來開門、關門。

輪椅上裝有一個叫做『周邊盒』的設備,內有USB集線器、音響放大器和整流器,供各種子系統使用。這部輪椅的電源安裝在椅座下方,供輪椅移動和整個電腦系統使用。此外,這套系統還裝有一套備用電池。

其實,霍金輪椅就是一部智慧機器,而且它是隨著科技的發展而逐漸升級的,以上所描述的只是這台智慧輪椅的基本構造。

霍金輪椅升級,發一條微博需要多久

2005年之後,霍金徹底喪失了運動能力——連手指都不能活動了,這讓他以前操作輪椅上的電腦的方式完全失效。為此,英特爾的創始人戈登•摩爾(Gordon Moore)為他設計了2.0版的輪椅,使得霍金能繼續與外界交流,而且照樣透過『交談』來實現。

新版霍金輪椅主要透過眼動追蹤、聯想輸入和語音合成器播放,來支持這位科學巨人與世界對話。

研究人員為霍金設計了一個特殊的眼鏡,上面安裝了紅外線發射器和檢測肌肉活動的探測器,可以透過霍金說話時面部肌肉的收縮和舒張來啟動輔助系統,並用眼球控制紅外線發射器,選定在螢幕中輪流出現的英文字母。

例如,當霍金想說『點子』(idea)這個詞時,他的面頰肌肉收縮首先啟動輔助系統,電腦螢幕上會出現字母i,這時霍金的眼球動一下,電腦就會不斷顯示以i開頭的英文字母,直到idea出現;霍金再動一下眼球來表示選定這個字母,這就如同普通人用手操作滑鼠時的兩次點擊確定一樣。

當霍金完成造句後,就可以把這個句子發送到語音合成器上,由後者替他『說』出來了。有趣的是,由英特爾公司設計的語音系統用的是美式英語,這讓一些人尤其是英國女王伊麗莎白,對這位英國國寶級科學家的『口音』頗有微詞。

她在一次會見霍金時問:『還是美國口音嗎?』霍金回答說:『是的,而且這個聲音已經拿到了版權。』

伊麗莎白女王對英語語音十分看重,以至於英國以她的發音作為英式英語的標準音。儘管如此,霍金輪椅的智慧發音系統沒能取悅於女王,但是這套2.0版的輪椅畢竟讓霍金與世界的交流延續至今。

在升級後的輪椅中,霍金為了使用紅外線監測裝置,總是要把臉部肌肉繃緊,以便寫文章、收發郵件和瀏覽互聯網。到了2011年,他的病情進一步惡化,用這種方式每分鐘僅能輸入一兩個單詞,因而不得不再次求助於老朋友摩爾。

在摩爾的指派下,因特爾首席技術官賈斯汀•拉特納(Justin Rattner)組建了一個人機交流技術團隊,團隊成員專門去拜訪霍金,試圖為他找到解決辦法。在見面的當時,霍金花了20分鐘,才發出一句包含30個單詞的歡迎拜訪者的話。

其後,技術團隊對霍金的設備進行了改造升級,研發了一個可供所有殘障人士使用的交互系統工具包(輔助情境感知工具包,簡稱ACAT)。安裝升級了這個開源專案後,霍金輪椅可謂升級到2.1版。雖然還是利用面部肌肉動作來操作電腦,但ACAT允許使用者透過幾乎任何面部動作來進行交交互操作。

升級後的軟體由於集成了Swift Key人工智慧預測技術,霍金僅需要輸入15%~20%的字母,電腦軟體就能預測出剩下的內容,還能夠在每輸入一個單詞後預測出下一個可能的單詞。利用升級後的軟體,霍金對文件進行瀏覽、編輯、管理和在多任務間進行切換、收發電子郵件等日常任務的速度提高了10倍。

在沒有使用ACAT之前,霍金的輸入速度是每分鐘1.5個單詞(每20分鐘30個單詞),在使用ACAT後,他的輸入速度至少提高了一倍,也就是每分鐘輸入3~4個單詞。

有人計算,霍金在向大陸公眾發一條有99個詞的微博時,即便沒有錯誤,大約也需要30多分鐘。再加上思考以及排版、審閱等,估計霍金用了大約40分鐘時間,才完成了他向大陸粉絲的第一次問候。

『腦控』,3.0版輪椅不僅屬於霍金

2.1版的霍金輪椅或許在某一天就會因為主人病情的不幸加重而無法使用,因此,人機交流專家已經開始設計3.0版智慧輪椅——也許這並非只是為霍金一個人而設計的,所有重度殘障人都可能受益於此。而且,由於霍金已經習慣了自己現有的輪椅,而要想習慣3.0版輪椅,這位物理大師可能還需要開始新的學習。

最新版智慧輪椅是基於喉部肌肉發音時的收縮和舒張來設計的。當人們說話時,大腦語言中樞會發出信號到喉嚨,使喉嚨的肌肉群協同收縮和舒張而發出聲音。即使一個人說話不說出聲,或者說出來的話只是自己能夠聽到,其喉部的肌肉群也仍然有運動。

換句話說,想要說出的話即使僅僅在大腦中,大腦也會產生指令,讓喉嚨肌肉群運動。如果設計一個軟體,能夠透過『讀懂』喉嚨肌肉群的運動來判斷要說出的詞句,然後傳輸到語音合成器上,就能形成人的話語。與靠電腦軟體檢測臉部肌肉相比,這樣的『發音』方式要直接很多。

根據這一原理,美國航太總署艾姆斯研究中心研發了一項技術,不僅可以讓殘障人自主控制電動輪椅,而且能夠將思想(想說的話)傳送到語音合成器,讓後者『說話』。

首先,透過一個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),輪椅便會自動探測到喉部微弱的電子脈衝並『翻譯』出來,這樣的指令正確傳達給輪椅後,輪椅就會完成右轉或停下的動作。同樣,使用者想說什麼話,也可以透過軟體探測到,並向語音合成器傳輸指令,讓後者替使用者『發聲』。

霍金已經嘗試過這種人(腦)機介面,但他感到並不適應。原因有兩個:其一,從使用面頰肌肉到透過喉部肌肉收縮來操控,有一個需要重新學習的過程,霍金還沒有適應這種新的技能。其二,按照目前的技術,電極擺放的位置如果稍有偏移,辨識的準確率就會從94%下降到50%以下。有時候,電極解讀並發送到語音合成器『說』出來的話,並非霍金的本意。所以霍金的輪椅目前並沒有正式使用這一系統。

更高級的智慧技術是『腦機介面』,即用思想來控制不能運動的四肢。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。從2014年起,俄亥俄州神經中心的研究人員就開始設計一個植入伯克哈特大腦的晶片來讓其思想控制運動。

這個植入腦部的晶片名為『神經生命』,它透過連接器與電腦相連。電腦使用特殊軟體來解讀大腦傳來的信號後,發送指令給鑲有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。經過一年多的練習,現在伯克•哈特已經可以用思維控制右手,完成拿起杯子、刷信用卡等動作。

同樣,如果把晶片植入大腦語言中樞,就可以在大腦想說什麼話的時候透過人機指令讓輪椅上的語音合成器說出來。只是,這需要向霍金的大腦語言中樞植入晶片。如果想用思想控制輪椅的運動,也得向大腦運動中樞植入晶片。當然,這種設想中的3.0版本輪椅目前還幫不到霍金,這首先是因為,霍金還不願意在自己天才的大腦中植入晶片。

目前,霍金輪椅的價格可能是普通殘障者所可望而不可即的。由於霍金的輪椅都是科技公司友情贊助的,並不需要他自己『埋單』,因此,還沒有人能夠給霍金輪椅定一個『官方價格』。據粗略估算,買一台目前版本的霍金輪椅大概得花95萬~100萬美元。如果將來真的升級到3.0版,恐怕價錢更會高出許多。

多年以來,史蒂芬·霍金每天都驅動輪椅從他的家——劍橋西路5號,經過美麗的劍河、古老的國王學院,駛到位於銀街的劍橋大學應用數學和理論物理系辦公室。如果你有機會造訪劍橋大學並路過這裡,你會看到這座擁有大師的科學聖殿前面有一段斜坡,那就是為了便於霍金輪椅的運行而特意修建的。