為了讓霍金「說話」,科學家在他輪椅上用了哪些科技?

世界上有太多的未解之謎，有很多藏在我們的腦海深處，我們甚至完全沒有意識到。關於霍金（2018年3月14日逝世，享年76歲），很多人可能沒有太多想法，但是如果仔細想想，你會發現：你從未聽過他真實的聲音，也未曾看見過他執筆寫作，可你卻從未質疑過他的存在。7hUednc

他身下的輪椅乾巴巴地輸出語音，究竟是霍金在說話還是輪椅在交談？完全癱瘓的霍金是如何控制輪椅的？這背後會有哪些不為人知的尖端科技？7hUednc

圖：史蒂芬·霍金7hUednc

眾所周知，「不動明王」史蒂芬·霍金是一個活著的傳奇，自他成名時就已經幾乎全身癱瘓，成天坐著輪椅，連與人交談這樣的簡單事都顯得困難重重。7hUednc

很難想像，一個抓不起筆，開不了口，連生活都不能自理的殘障人士不僅寫了十餘本暢銷書，發表了多篇有影響力的論文，還參演了多部影視劇作品，成功的背後靠的不是偉大的女人，靠的當然是他的輪椅（不靠著輪椅他怎麼坐得起來）。7hUednc

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霍金早在年僅21歲時就被診斷出患有肌肉萎縮性側索硬化症（一種病因至今不明的運動神經損害疾病，又名「漸凍症」），他的肌肉會漸漸失去力量，萎縮，最終蔓延至呼吸和吞咽的相關肌群，很大概率會死於呼吸衰竭。7hUednc

圖：病發前的霍金也曾是一位帥小夥7hUednc

隨著病情持續惡化，霍金開始依靠拐杖才能出行。幾年後，霍金就已經無法站立，雖然他曾十分不願使用輪椅，但面對現實也他只有這一個選擇。霍金與輪椅將近50年的羈絆正式開始。7hUednc

起初，輪椅只是霍金的代步工具，他除了行動上的不便之外，並沒有什麼異於常人，依舊能和別人談笑風生，還能緩慢地寫下一些公式。7hUednc

圖：患病後日漸消瘦的霍金7hUednc

移居美國後，霍金坐上了電動輪椅，似乎找回了逝去的青春，想起了在劍橋賽艇隊的風馳電掣，於是發展出了「飈輪椅」的特殊愛好，常常把輪椅調到最高速，在人行道上橫衝直撞。7hUednc

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不過很快霍金就沒有心情繼續「飈輪椅」了，病情再度惡化，他不再能寫字，說話也開始變得含含糊糊，一開始大家還可以勉強聽得懂，後來就只有他的家人和最親密的朋友才能準確地理解和猜測他說的內容。那個時期，霍金出門除了輪椅相伴，還得帶上一個「首席發言人」。7hUednc

圖：還能含糊說話的霍金7hUednc

其實此時的霍金還是幸福的，起碼他還能夠一句一句地表達，很快他就將徹底告別這樣的幸福時光了。1985年，霍金在歐洲訪問時患上嚴重的肺炎，醫生實施了氣管切開手術，雖保住了他的性命，但他卻永遠失去了發聲的能力。7hUednc

所謂大難不死必有後福，可這句話在霍金身上似乎並不應驗，對霍金來說，失聲後的溝通可能比生死更為重要。他也嘗試了很多方法，但沒有沒有一種能讓人滿意的，比如最原始的拼寫版。7hUednc

霍金需要用眼神選定區域、再確定顏色，最後挑挑眉毛表示確認，一個字母一個字母得拼成詞彙。這套「眉目傳情」的功法必須要兩個人才能修煉，拼一個單詞要花上數分鐘，麻煩至極。7hUednc

圖：霍金傳記電影《萬物理論》中演示的拼寫板7hUednc

重新讓霍金說上話，不僅僅是他自己的願望，也是學術界迫切的需求。物理學家馬丁·金最先想到用一套輔助軟體來跟霍金交流，他找到了美國加利福尼亞 Words+ 公司的 CEO，請求他幫助霍金教授。這位 CEO 曾經開發過一套名為 Equalizer 的軟體幫助同樣患有「漸凍症」的嶽母，他得知要幫助的是霍金教授，立馬就表示將全力以赴。7hUednc

為了方便的運行這套軟體，他們在霍金的輪椅上安裝了 Apple II 電腦以及一個顯示器。這套系統的原理其實很簡單，光標會一行一行地掃過屏幕上顯示的字母表，霍金只需要在光標經過想要的字母時給電腦一個確認指令便能實現輸入。7hUednc

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彼時，霍金的雙手還有一定的運動能力，不僅能自己操縱輪椅，對輔助軟體的使用也完全不成問題，畢竟整套軟體只需要一兩個按鍵就可以操作。7hUednc

據說，霍金還是使用掃描式輸入法速度最快的三個人之一，每分鐘能拼出15-20個單詞，另外兩個則是軟體開發者本人和他的好朋友。7hUednc

圖：霍金使用的Equalizer軟體7hUednc

這套軟體解決了霍金的輸入問題，他已經可以還算方便地寫作，但是在生活中單單只有文字是遠遠不夠的。霍金的家人朋友們又找到了一家開發語音合成器的公司，希望尋求幫助。7hUednc

這家公司生產的設備主要用於電話自動應答系統，接到來自霍金的求助倍感榮幸。他們改造了一臺 CallText 5010 設備，用上了當時最好的文字轉換語音處理器，在1988年贈送給了霍金。這樣霍金在輸入文字後就能大聲地「說」出來了，仿佛重獲新生。7hUednc

圖：這個鐵盒子便是霍金多年來的「喉嚨」7hUednc

不過，這臺安裝在輪椅上的硬體並不完美，它發出的聲音也並不是我們現在熟知的霍金聲音，霍金本人也對這點十分不滿，他要求替換成自己的聲音。7hUednc

於是，MIT的工程師幫助霍金實現了願望，他為霍金製作了三種聲音，分別是他妻子、他女兒以及他本人的聲音。可能是因為這些工作都是由美國人完成的，霍金的語音至今都還帶有明顯的美式口音。7hUednc

靠著各種黑科技加持的輪椅，霍金得以繼續寫作出書，他重新整理了之前的書稿，出版了震驚世界的《時間簡史》，如今《時間簡史》已經被翻譯成40多種語言，售出1000多萬本，被譽為最難看懂的暢銷書。霍金很高興地說，「與在我失去說話功能前相比，我現在可以更如意地傳達信息。」7hUednc

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1997年，英特爾在處理器領域的形勢一片大好，其創始人戈登·摩爾曾與霍金當面交流，他發現霍金輪椅上使用的搭載老對手AMD處理器的電腦，整套系統也存在很多缺點，便表示將承包霍金的硬體設備，霍金欣然接收。7hUednc

英特爾重新設計了霍金的輪椅，將計算機集成在輪椅上，用輪椅的電池供電，並且承諾每隔兩年將硬體升級一次。7hUednc

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歲月如刀，不僅奪走了霍金的運動能力、發聲的能力，甚至連最後能活動的三根手指頭也不放過。2005年起，霍金只能用一根手指操作整臺輪椅了，短短三年之後，他已經連手指都無法控制了，僅剩下面部的部分肌肉可以活動，他的裝備面臨又一次的大改造。7hUednc

霍金的研究生助理靈機一動，為他設計了一個「cheek switch」裝置，這個裝置可以安裝在眼鏡框上，用紅外線檢測霍金右臉頰的一塊肌肉活動。7hUednc

圖：霍金眼鏡右側懸掛的裝置便是紅外傳感器7hUednc

這種控制方法類似於智慧型手機上的距離感應傳感器，傳感器發射肉眼不可見的紅外光束，根據目標物反射的強度檢測距離。霍金收縮面部肌肉，傳感器接收到一個變化的信號，則反饋給電腦一個確認動作。這種方式可以完全替代之前使用的手動點擊操作，並且不改變原來的操作邏輯。7hUednc

圖：霍金打字時只要輕微地抽動面部肌肉7hUednc

隨著霍金輪椅的升級，他也從用「一根手指闖天下」進化為「一塊肌肉的表演藝術」，但霍金的「說話」速度還是降到了每分鐘5-6個單詞。7hUednc

好景不長，很快霍金的輸入效率就大幅下降之每分鐘一個單詞，他面部的肌肉也開始退化，無法精準地控制，常常陷入選錯字母的困境，只好再度求助於英特爾團隊。7hUednc

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在英特爾的實驗室裡，霍金花了足足20分鐘才「說」出了大概30詞的問候語，打字時霍金的痛苦與無奈工程師們都看在眼裡，也都十分希望能幫到霍金教授。7hUednc

他們曾考慮過使用最新的技術來挽救這個過時的系統，例如眼球追蹤技術。眼球追蹤技術雖然聽起來高大上，實際上原理也並不複雜，簡單來說就是通過檢測眼部的細微運動來實現對設備的操控，看哪指哪。7hUednc

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最先進的解決方案採用紅外線投射方式，在30英寸的屏幕上，能精確控制到1釐米以內，在一定程度上可以代替滑鼠的操作。不過霍金的病情已經造成了嚴重的眼瞼下垂，眼球追蹤技術無法準確鎖定霍金的目光，此方案被放棄。7hUednc

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除了眼球追蹤技術，工程師們還讓霍金嘗試了頗為科幻的腦電波識別技術。很多人心目中對腦電波技術的理解是所謂的「心想事成」，被操控設備可以準確理解使用者的想法，實際上目前的技術還遠達不到。7hUednc

能夠被清晰識別的腦電波信號往往都是一些身體動作控制信號，例如握拳、面部表情、抬手等，這些信號就相當於一個一個的按鍵，給每個信號設定好功能便能工作。至於腦海深處的思維，目前還沒辦法能解讀，所以目前也不用擔心被人竊取思想。7hUednc

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也許是因為霍金癱瘓多年，大腦對肢體的控制功能已經退化了，即便是戴上專業的腦電波帽也無法檢測出強度足夠的信號。除此之外，腦電波識別技術還需要經過大量的訓練才能夠有比較高的識別率，這點對於年過七旬的霍金爺爺來說難度不小，他本人也不太願意改變用了幾十年的這套操作邏輯，畢竟是個念舊的人。7hUednc

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沒辦法，工程師團隊只好另闢蹊徑，將重點放在了改善軟體輸入效率的方向上。他們仔細認真的觀察了霍金輸入時的每一個細節，發現了很多問題。令他們驚訝的是，已經是21世紀了，霍金還在一個一個字母地完整拼寫單詞，除了他嚴謹的性格外，其餘的恐怕還要「歸功於」這套古老的軟體。7hUednc

圖：由 Words+ 開發的軟體雖一直在更新，但聯想功能依舊十分薄弱7hUednc

團隊找來了在智慧型手機輸入法領域備受好評的SwiftKey公司合作，他們採集了霍金的大量文檔，分析詞頻以及上下文關聯，在霍金輸入時會給出最合適的預測詞。比如輸入「Stephen」，軟體會聯想出「Hawking」，不再需要逐個輸入字母，相信絕大多數智慧型手機的用戶都很熟悉這套邏輯。7hUednc

圖：SwiftKey強大的單詞聯想功能7hUednc

同時新軟體還添加很多便捷操作，包括一鍵靜音，全屏幕任意位置的滑鼠點擊功能，快速搜索還有電子郵件。用上新軟體，霍金的輸入效率高了10倍，還能方便的用Firefox瀏覽器上網。去年，霍金還開通了微博，親自發博文與中國網友交流，嚇得網友們紛紛表示「在做夢」。7hUednc

圖：我夢到了霍金開微博7hUednc

霍金也毫不掩飾對新軟體的喜愛，大讚這次革命性的升級，他說「希望它在接下來的20年繼續為我服務。」7hUednc

英特爾團隊看到了這套新軟體的成功，也打算以此幫助更多的殘疾人，他們開放了這套ACAT（Assistive Context-Aware Toolkit）軟體的原始碼，將其託管在著名開源社區GitHub，免費讓殘障人士用上霍金同款軟體的同時也希望眾人拾柴火焰高，在更多開發者的維護下能不斷完善這套軟體。7hUednc

圖：霍金同款的ACAT輔助軟體7hUednc

除了在給霍金的輪椅提供計算機技術支持外，英特爾團隊也改進了輪椅的很多設計，包括改善人體工程學設計，搭載更高性能的控制系統，整合健康監測和生命維持裝置。同時，他們也推出了伽利略、愛迪生開發工具包，推動智能物聯網輪椅的開發，致力於讓殘障人士享受更便利的生活。7hUednc

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有這麼一句古話說「時勢造英雄」，放在今天看，這句話可能已經不怎麼準確了，霍金的傳奇用「時代救天才」來形容可能更為準確。霍金趕上了好的時代，也選對了人生的路，他曾在自己的視頻短片中說過：「醫藥沒有治癒我的疾病，所以我更依賴於科技。」7hUednc

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有人說科技違背了優勝劣汰的法則，它拯救了太多本應該被「淘汰」的人；可如果沒有科技，全人類可能都是應該被「淘汰」的弱者，霍金的故事其實也是人類的故事。7hUednc

畢竟如霍金所說：「Where there's life, there's hope.」7hUednc

（本文首發於Dizzy In Science）7hUednc

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