霍金，这位被誉为当代最伟大的物理学家，黑洞辐射理论的提出者，同时也是《时间简史》等多部科普畅销书的作者，于2018年3月14日逝世。 
图1 斯蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking，1942年1月8日至2018年3月14日）
我清晰地记得，那天突然收到这个消息时，过了半响才缓过神来，心里好像坍塌了一块似的。毕竟，从小到大一直在各种书店或图书馆看到霍金的那本神作《时间简史》，虽然读不懂，但总觉得不明觉厉。再加上各类报纸媒体的报道与宣传，打小就热爱科学的我不知不觉中似乎把有关霍金的各种存在当做我探索宇宙世界奥秘旅程中的一部分了。现在神突然就走了。心里的天似乎也感觉塌了一块。那一刻，我的第一感觉居然是，“哦，原来神也会死的。”世间的一切都有其终点。一想到这一点，一股莫名的忧伤油然而起。 
图2 霍金的科普著作：《时间简史》等 霍金去世后，英国政府最终把霍金的骨灰安放在伦敦的西敏寺，也就是著名的威斯敏斯特大教堂之中。威斯敏斯特教堂，亦称西敏寺，坐落于泰晤士河北岸，它不仅是英国王室的墓地选址，同时也是历代君主加冕、婚庆的重要场所，西敏寺本质上是一部记载英皇室历史的活体史书。1727年牛顿在此处安葬,1882年达尔文也葬于此。 
图3 威斯敏斯特大教堂 霍金的一生，可谓充满了传奇。因为在他21岁的时候，就患上了导致全身肌肉逐渐萎缩的肌肉萎缩性侧索硬化症（ALS）。前几年忽然传遍全球的“冰桶挑战”活动，初衷就是为了唤起人们对“渐冻症”患者的关注与帮助。而这个“渐冻症”，就是霍金所得的疾病。本来医生断定霍金只有几年可以活，因为这种疾病是渐进性的，会逐渐导致病人的肌肉萎缩，直至无法自主呼吸与进食等。但霍金显然奇迹般地挑战了该病的极限。不仅如此，霍金在几乎全身瘫痪的情况下，仍然不断思考，发现并提出了黑洞辐射等一系列重要的理论，为人类进一步了解黑洞奠定了坚实的理论基础。 
图4 肌肉萎缩性侧索硬化症（ALS）症状形象图 
图5 冰桶挑战 像物理学家霍金这样的神经渐冻症病人，或者是脊髓损伤导致高位截瘫的残疾人，因为外周神经和肌肉组织丧失功能，与外界的沟通非常困难。但这些病人的大脑功能通常是正常的，他们最大的愿望莫过于自由表达自己的思想，并与外界交流。实际上，霍金的轮椅进行过三次轮升级，这也就代表科技的三次进步和飞跃。 
图6 霍金乘坐的拥有多项高科技设备的轮椅
1985年，因患肺炎而做气管切开手术后，霍金被彻底剥夺了说话的能力。当时，美国加利福尼亚州一位名叫瓦特·沃尔托兹的电脑工程师为霍金设计了一个名为“平等器”的电脑程序。而后，剑桥调节通讯公司的大卫·梅森又改进了这套设备，每分钟可“说”出15个词，还可以把文字直接打印出来。 
图7 “平等器”版本的早期轮椅
2005年之后，霍金彻底丧失了运动能力——连手指都不能活动了。英特尔的创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）为他设计了2.0版的轮椅。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。 
图8 英特尔为霍金打造的轮椅 到了2011年，他的病情进一步恶化，英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，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）。霍金轮椅可谓升级到2.1版。升级后的软件集成了SwiftKey人工智能预测技术。 
图9 英特尔对霍金轮椅的进一步改进
我们可以想象一下这样一种场景：一个几乎全身瘫痪，甚至都无法言语的人，仍然在用他那聪明睿智的大脑奋力地为人类去探索最深刻的宇宙奥秘！这真的是一件伟大而又奇妙的人类精神史诗！其中，支持霍金持续多年思考的不仅仅是他本人强大坚韧的意志，还有诸多科学家为他打造的一系列秘密武器—可以将他残存的语音转化清晰的文本的信息转换系统。而这套信息转化系统可以看成类似于脑机接口系统的一种设备，从而为像霍金这样的重症瘫痪但脑部功能正常的患者提供一个可替代的信息交流系统，这也是开发脑机接口技术（BMI或BCI）的初衷。 
图10 霍金的超级轮椅 科学家最早尝试脑机接口研究，是在1963年的英国。Burden Neurological Institute的Grey Walter医生用当时非常前沿的脑电技术和他的病人开了个“玩笑”。这些癫痫病人因为确定脑内病灶的需要，做了手术，脑内放了电极，贴近大脑皮层，可以获取非常清晰的神经活动。因为电极比较大，记录阻抗低，虽然不能记录单个神经细胞的放电，但能记录到电极周围神经细胞共同活动的场电位(Field Potentials)。这些病人会带着电极在医院生活一两周。Walter医生突发奇想，在病人们欣赏风光幻灯片的时候，偷偷把脑电电极连接到了自己发明的“电位转换器”上，把病人大脑运动皮层的场电位信号，转换成了幻灯机换片的控制信号。于是“心想事成”的奇迹发生了：病人每次打算换片，但还没有按动按钮时，幻灯机就已经知道了他的想法，自动换片了！这是脑机接口技术的第一次完整实现：采集大脑神经信号，翻译转换后控制外部设备。 
图11 电极植入与监测
这个概念在当时非常超前，只有科幻电影中才会出现。这个“玩笑”背后是Walter医生通过对脑电活动的定量测量和深入探索，发现了与注意和期待有关的脑电活动。在此之前，所谓“脑电”仅仅指每秒10次左右的节律性起伏（Alpha波），通过这种起伏可以推测人脑的警觉状态，不能反映精细的思维活动。Walter医生也是个非常优秀的工程师，他采用多次平均技术，去除噪声，得到脑电发明以来最“纯净”的脑内活动波形——事件诱发电位（Event Related Potential , ERP)。从此科学家通过事件诱发电位定量研究大脑对外界视觉听觉刺激的响应规律，以及大脑内部认知过程的展开，从此打开了一扇研究人脑的新窗口。 
图12 基于事件相关电位的视听觉脑机接口范式 （完）
