霍金輪椅上的“黑科技”

“宇宙之王”從此羈絆輪椅

霍金在21歲時被診斷出患病后，他的肌肉漸漸失去力量，萎縮，并蔓延到呼吸和吞咽的相關肌肉群。

隨著病情持續惡化，霍金開始依靠拐杖出行。幾年后，霍金就已經無法站立，雖然他十分不愿使用輪椅，但面對現實，他只有這一個選擇。從此，霍金與輪椅將近50年的羈絆正式開始。

起初，輪椅只是霍金的代步工具，除了行動上的不便之外，他并沒有什么異于常人，依舊能和別人談笑風生，還能緩慢地寫下一些公式。

移居美國后，霍金坐上了電動輪椅，發展出了“飚輪椅”的特殊愛好，常常把輪椅調到最高速，在人行道上橫沖直撞。

不過，很快霍金就沒有心情繼續“飚輪椅”了，病情再度惡化，他不能寫字，說話也開始變得含含糊糊。一開始大家還可以勉強聽得懂，后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”。

親愛的小讀者，你知道霍金嗎？他是繼愛因斯坦之后最杰出的理論物理學家，被譽為“宇宙之王”。霍金提出的“宇宙大爆炸自奇點開始”“黑洞最終會蒸發”等理論，極大拓展了人類對宇宙的認識。

霍金因患肌肉萎縮性側索硬化癥（一種病因至今不明的運動神經元疾病，又名“漸凍癥”），幾乎全身癱瘓，后來又因為實行氣管切開手術，從而失去語言能力。很難想象，抓不起筆，開不了口，連生活都不能自理的霍金不僅寫了10多本暢銷書，發表了多篇有影響力的論文，還參演了多部影視劇作品。這些成就的取得離不開他的輪椅，為了讓霍金“說話”，科學家在他的輪椅上裝了很多黑科技，下面就讓我們來看看吧。

最原始的拼寫板

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，但不幸的是，霍金于1985年在歐洲訪問時患上嚴重的肺炎，醫生實施了氣管切開手術，他從此永遠失去了發聲的能力。

失聲后，為了與人溝通，霍金嘗試了很多方法，但沒有一種能讓人滿意的，比如最原始的拼寫板的方法。霍金需要用眼神選定區域、確定顏色，最后挑一下眉毛表示確認，一個字母一個字母地拼成詞匯。這套“眉目傳情”的拼寫法必須要有兩個人才能完成，拼一個單詞要花上幾分鐘，麻煩至極。

借助軟件，霍金重新“開口說話”

重新讓霍金說上話，不僅僅是他自己的愿望，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件來跟霍金交流，便找到了美國加利福尼亞Words+公司的CEO，請求他幫助霍金。這位CEO得知要幫助的是霍金，立馬表示將全力以赴。

為了方便地運行這套軟件，Words+公司的工程師們在霍金的輪椅上安裝了AppleII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，霍金只需在光標經過想要的字母時給電腦一個確認指令便能輸入。

那時候，霍金的雙手還有一定的運動能力，不僅能自己操縱輪椅，對輔助軟件的使用也完全不成問題，畢竟整套軟件只需一兩個按鍵就可以操作。

這套軟件解決了霍金的寫字問題，他已經可以方便地寫作。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。

為了幫助霍金，這家公司改造了一臺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，霍金在輸入文字后就能大聲地“說”出來了，仿佛重獲新生。

靠著各種黑科技附加在身的輪椅，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：“與我失去說話功能前相比，我現在可以更如意地傳達信息。”

通過掃描肌肉，讓霍金“說話”

1997年，英特爾公司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，并且承諾每隔兩年便將硬件升級一次。

然而，歲月如刀，不僅奪走了霍金的運動能力、發聲能力，甚至連最后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，短短三年之后，他已經連手指都無法控制了，僅剩下面部的部分肌肉還可以活動，他的裝備面臨又一次的大改造。

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。

這種控制方法類似于智能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，并且不改變原來的操作邏輯。

隨著霍金輪椅的升級，他也從“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。

跟蹤眼球也無法讓霍金說話了

好景不長。很快，霍金的輸入效率就大幅下降，到了每分鐘一個單詞的地步。霍金面部的肌肉也開始退化，無法精準地控制肌肉運動，常常陷入選錯字母的困境，只好再度求助于英特爾團隊。

在英特爾的實驗室里，霍金花了足足20分鐘才“說”出了大概30個詞的問候語。霍金打字時的痛苦與無奈工程師們都看在眼里，他們都十分希望能幫到霍金，便考慮使用眼球跟蹤技術（檢測眼部細微運動）來識別霍金想要說的話。

不幸的是，霍金的病情已經造成了眼瞼嚴重下垂，眼球追蹤技術無法準確鎖定霍金的目光，此方案只好放棄了。

腦電波識別技術失敗了

除了眼球跟蹤技術，工程師們還讓霍金嘗試了頗為科幻的腦電波識別技術。但是，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，這點對于年過七旬的霍金來說難度比較大。

智能軟件立大功

沒辦法，工程師團隊只好另辟蹊徑，將重點放在了改善軟件輸入效率的方向上。他們采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”，軟件會聯想出“Hawking”。

同時，新軟件還添加了很多便捷操作，包括“一鍵靜音”、鼠標點擊功能、快速搜索等。用上新軟件，霍金的輸入效率—下子提高了約10倍，還能方便地使用Firefox瀏覽器上網。2016年，霍金還開通了微博，親自發博文與中國網友交流，嚇得網友們以為自己“在做夢”。

霍金也毫不掩飾對新軟件的喜愛，他說：“希望它在接下來的20年里繼續為我服務。”

正是由于有了這些高科技，癱瘓輪椅幾十年，身不能動、口不能言的霍金依然能與我們分享他對宇宙的深刻洞見，讓這位偉大科學家的精神之火繼續照亮人類前行的道路。

（小文摘編自“中科院物理所”微信公眾號）