号称当今科技的巅峰——霍金的轮椅是如何工作的?

机床杂志社2019-03-14 12:50:13

大众印象中的霍金,一直与轮椅相伴,虽身体在疾病的影响下不能活动,但他的生活依旧精彩,从事着他热爱的科学研究,这些都离不开与他相伴半个多世纪的轮椅。

写书。《时间简史》《果壳中的宇宙》《大设计》....几十年来写出十几本畅销书,科学界畅销书第一人,实至名归。

进军影视圈。和霍金演对手戏,不论多大牌的明星,都会变迷弟/迷妹,比如《生活大爆炸》的谢耳朵。

演讲。这年头,没听过几场霍金的演讲,谁还敢自称热爱科学、热爱宇宙?

发微博。2016年4月霍金开通微博,两天时间吸了300万粉,科学界最火大V!

相隔一天之后,他在第二条微博中发出的消息再次引起轰动——研发一台“纳米飞行器”,将让人类飞达半人马星座的α星。霍金在微博中称,加入这一计划的,还有俄罗斯“土豪”尤里·米尔纳和脸书(Facebook)创始人“小扎”。

不仅物理大师组的这个“局”堪称梦幻组合,而且他的“突破摄星”计划也让人充满遐想:用激光推进的微型星际飞船,以1/5光速的速度,花20年左右的时间就能到达半人马座α星并发回照片。

实际上,以目前人类在工程材料、推进器等方面的技术水平,无论是用激光还是太阳光,要想把一个即便只有1~10克重的物体加速到光速的1/5,大概也需要比一颗原子弹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”上首先会摧毁它。所以,用目前科技发展的眼光来看,霍金探索半人马座α星的计划或许还只是科幻。

事实上,能够体现当今科学发展水平的,却是将这位科学天才的身体禁锢了50多年的那台轮椅。

轮椅:霍金形象的一部分

在霍金的第一条微博发出之后,就有中国网友发问:全身不能动的霍金发一条微博需要多久?回答这个问题,要从这位当今人类“最强大脑”的标志性的形象说起。

霍金17岁就入读牛津大学攻读自然科学,他用了很短时间就得到了一等荣誉学位,随后转读剑桥大学研究宇宙学。

1963年,21岁的他不幸被诊断患有肌肉萎缩性侧索硬化症(又称卢伽雷氏症)。这是一种无法治愈的致命疾病,病人会慢慢丧失运动能力,后期甚至因为呼吸肌和喉部肌肉麻痹而不能发音,并因而失语。

当时医生判断霍金只能活两三年,然而他后来却坚强地一直活下来,但疾病使霍金的身体严重变形,头只能朝右边倾斜,肩膀左低右高,双手紧紧并在当中,握着手掌大小的拟声器键盘,两脚则朝内扭曲,嘴几乎歪成S形。

数十年来,这样奇特的形象和那台轮椅,在全世界面前定格成为一个天才科学家的符号。

最初的轮椅,只是个代步工具。那时的霍金,还很有闲情逸致,经常“飙轮椅”。

病情恶化之后,霍金全身只有三根手指和两只眼睛可以活动,并且只能用极其微弱、难以识别的语言交谈。

1985年,霍金在访问欧洲核子研究中心的旅途中得了肺炎,虽然医生制住了感染,但为了帮助他呼吸,医生切开了他的气管,把一根管子插了进去。结果就是,霍金永远都不能说话了。

如何能使霍金与人沟通,成了一个难题。

最开始,工作人员尝试用拼写板,但效率太低了,几分钟才能拼写出一个单词。

于是,他们动起了轮椅的心思。

当时,他们找到了美国加州“Words+”公司的CEO瓦特·沃托茨,他曾为同患渐冻症的岳母开发过一个程序,叫做“平等器”。

于是,霍金的轮椅便被安上了这套程序,以及 Apple II电脑和一个显示器。

这个程序操作起来非常简单,只需要一两个按键。光标会一行一行扫过屏幕上显示的字母表,霍金只需要在光标经过想表达的字母时,给电脑一个确认指令便能实现输入。

那时还有三个手指能动的霍金,每分钟能打15到20个词,就这样开启了新人生。

轮椅上还装了一台CallText 5010设备,用上了当时最好的文字转换语音处理器,于是霍金又能“说话”了。

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。它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,霍金的思想可以转化为语音和文字,并表达给全世界——包括他的数百万新浪微博粉丝。

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,以上所描述的只是这台智能轮椅的基本构造。

霍金轮椅升级,发一条微博需要多久?

2005年之后,霍金彻底丧失了运动能力——连手指都不能活动了,这让他以前操作轮椅上的电脑的方式完全失效。为此,英特尔的创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)为他设计了2.0版的轮椅,使得霍金能继续与外界交流,而且照样通过“交谈”来实现。

新版霍金轮椅主要通过眼动追踪、联想输入和语音合成器播放,来支持这位科学巨人与世界对话。

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。

当霍金收缩面部肌肉时,也就相当于向传感器发送了一个信号,接下来传感器反馈给电脑,从而选中目标字母。

有了“Cheek Switch”,霍金只要轻微抽动面部肌肉,就能完成打字,真正的“用脸打字”。

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。

在升级后的轮椅中,霍金为了使用红外线监测装置,总是要把脸部肌肉绷紧,以便写文章、收发邮件和浏览互联网。到了2011年,他的病情进一步恶化,用这种方式每分钟仅能输入一两个单词,因而不得不再次求助于老朋友摩尔。

在摩尔的指派下,因特尔首席技术官贾斯汀·拉特纳(Justin Rattner)组建了一个人机交流技术团队,团队成员专门去拜访霍金,试图为他找到解决办法。在见面的当时,霍金花了20分钟,才发出一句包含30个单词的欢迎拜访者的话。

其后,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(辅助情境感知工具包,简称ACAT)。安装升级了这个开源项目后,霍金轮椅可谓升级到2.1版。虽然还是利用面部肌肉动作来操作电脑,但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Swift Key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,还能够在每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,霍金对文件进行浏览、编辑、管理和在多任务间进行切换、收发电子邮件等日常任务的速度提高了10倍。


在没有使用ACAT之前,霍金的输入速度是每分钟1.5个单词(每20分钟30个单词),在使用ACAT后,他的输入速度至少提高了一倍,也就是每分钟输入3~4个单词。

有人计算,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,大约也需要30多分钟。再加上思考以及排版、审阅等,估计霍金用了大约40分钟时间,才完成了他向中国粉丝的第一次问候。

“脑控”,3.0版轮椅不仅属于霍金

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。

目前,霍金轮椅的价格可能是普通残障者所可望而不可即的。由于霍金的轮椅都是科技公司友情赞助的,并不需要他自己“埋单”,因此,还没有人能够给霍金轮椅定一个“官方价格”。

据粗略估算,买一台目前版本的霍金轮椅大概得花95万~100万美元。

霍金的一生,除了仰望星空,也脚踏实地:让残疾人在社会中能受到更平等的对待。科技能改变霍金的命运,希望也能改变普通残疾人的生活,让他们得到更多重视和帮助。

(资料来源:直观学机械


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