“如果忒修斯之船上的木頭被逐漸替換，直到所有的木頭都不是原來的木頭，那這艘船還是原來的那艘船嗎？”

2019 年 2 月 22 日，由詹姆斯·卡梅?。↗ames Cameron）擔(dān)任編劇和制片、羅伯特?羅德里格茲（Robert Rodriguez）執(zhí)導(dǎo)的電影《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》在中國地區(qū)正式上映。

這是一部改編自日本漫畫家木城雪戶作品《銃夢》的科幻電影，講述了一位除了頭部以外皆為機(jī)械假肢的少女，被一位表面上是醫(yī)生、真實(shí)身份為賞金獵人的中年男人從垃圾堆中拯救并重鑄身體，然后走上重新認(rèn)識(shí)自我的故事。

《阿麗塔》在卡梅隆購入版權(quán)后多年最終以電影的形態(tài)呈現(xiàn)在觀眾面前，但對于這個(gè)誕生于 1990 年的日本漫畫 IP 不是太熟悉的人來說，可能并沒有太多的期待。相反，符號(hào)化程度更高、更為國人所熟知的可能是另一個(gè)誕生于 1989 年的漫畫 IP：《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》（Ghost in the Shell）。

圖 | 漫改電影《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》（來源：Fox）

同是未來賽博朋克風(fēng)格的《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》與《阿麗塔》有著類似的設(shè)定：兩位依舊保留了人類大腦、身體完全機(jī)械化的女主人公，前者草薙素子帶領(lǐng)著公安九課以高科技手段打擊犯罪，后者阿麗塔則走上了重新發(fā)現(xiàn)自我的道路。

當(dāng)然，兩位女主角雖然有著不同的人設(shè)，但作為科幻電影，主角的形態(tài)還是要以人民群眾喜聞樂見的未來科技高度發(fā)達(dá)的工業(yè)化產(chǎn)物呈現(xiàn)，相比于素子背后擁有強(qiáng)大的公共資源制造并維護(hù)自己的身體，阿麗塔則顯得更為“草根”：被 Dyson Ido 醫(yī)生從“天空城”排出的工業(yè)垃圾中“撿尸”，然后回家裝上一套 DIY 的機(jī)械身體。

看過這兩部電影的觀眾不難發(fā)現(xiàn)，影片一大主題就是在保存了人類大腦、全身機(jī)械化的情況下，主角們對于意識(shí)、人性，以及“我是誰？我在哪？我要做什么？”的不懈追求，這是個(gè)哲學(xué)層面上的宏大話題，本文并不想著墨過多。但如果一定要以“硬科技”的視角去審視科幻電影，往往能發(fā)現(xiàn)一些不一樣的看點(diǎn)。

圖：Dyson 博士對阿麗塔進(jìn)行第一次義體改造（來源：Fox）

《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》中的素子從工程角度上來看明顯要更容易讓人接受，她擁有的兩件最強(qiáng)大武器分別是當(dāng)時(shí)人類已知科技能打造出的最強(qiáng)生化電子軀體，以及隨時(shí)隨地接入網(wǎng)絡(luò)獲取資訊的“超 5G”能力。作者士郎正宗在 20 世紀(jì) 90 年代能有此想象力已讓人欽佩，甚至有人評(píng)論，正是因?yàn)楫?dāng)時(shí)人類在科技上的想象力有限，所以漫畫在首次連載后停更，等到再次連載時(shí)，素子已經(jīng)由“本地實(shí)體版本”進(jìn)化到了“云端數(shù)字版”，物質(zhì)世界與信息世界對于素子來說，都成為了她的現(xiàn)實(shí)，也算是士郎正宗大膽預(yù)測了一把人類未來二十年的科技成果。

反觀《阿麗塔》的情節(jié)就顯得更為天馬行空了，從最初被撿回來后完全“義體化”，到后來偶然發(fā)現(xiàn) URM（火星共和國）墜毀戰(zhàn)艦中用失傳科技打造的“狂戰(zhàn)士”機(jī)甲，再到最后徹底覺醒長出“天使之翼”（電影中并未出現(xiàn)）。比較值得玩味的應(yīng)該算電影中出現(xiàn)的用于打造“狂戰(zhàn)士”機(jī)甲的納米技術(shù)，不僅具有與主人身體神經(jīng)完全匹配的功能，還能快速自愈，似乎能看到鋼鐵俠“血邊戰(zhàn)甲”和金剛狼“阿德曼金屬”的影子。

不論是《攻殼機(jī)動(dòng)隊(duì)》中用有限的實(shí)體戰(zhàn)力加數(shù)字化生存來打擊犯罪，還是《阿麗塔》用無限進(jìn)化的“機(jī)甲術(shù)”去重新發(fā)現(xiàn)自我，科技樹點(diǎn)的不一樣，世界觀加成不一樣，孰好孰壞？大材小用？DT 君暫不做評(píng)價(jià)。

圖：素子的數(shù)字化生存 VS 阿麗塔的火星機(jī)甲術(shù)

“義體化”無疑是《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中最重要的元素，電影中充斥著大量由特效制作而成的機(jī)械假肢，這些人造的胳膊和大腿不僅宛若真實(shí)的血肉，還能發(fā)揮出遠(yuǎn)超人類的力量。所以有很多觀眾不禁會(huì)贊嘆這些假肢的神奇和美妙，然而它們并非科幻，在現(xiàn)實(shí)的世界中，早就有了類似的產(chǎn)物。

現(xiàn)實(shí)世界中的“義體化”

智能假肢和傳統(tǒng)的假肢最大的不同在于它可以根據(jù)佩戴者的需求而改變姿態(tài)，目前來看市面上普遍將控制方法分為兩種：以 BrainCo 代表的腦控智能假肢，以及 Handiii 和芝加哥康復(fù)研究所代表的表皮特征控制智能假肢。

腦控智能假肢很好理解，每當(dāng)大腦主動(dòng)控制身體去執(zhí)行某個(gè)動(dòng)作時(shí)都會(huì)釋放出的 EEG、腦磁（Magnetoencephalography ,MEG）、代謝等信號(hào)。這些信號(hào)雖然微弱，但是隨著現(xiàn)代技術(shù)的提升，它們已經(jīng)可以被采集并且識(shí)別。

圖：MEG 信號(hào)的產(chǎn)生過程（來源：華盛頓大學(xué)）

當(dāng)然，雖然技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)，但是對于商業(yè)落地來說，只需要利用其中的一個(gè)信號(hào)便可以識(shí)別大腦的指示。EEG 容易采集、時(shí)間分辨率高，是目前腦機(jī)接口設(shè)計(jì)的首要選擇。不過 EEG 是典型的非平穩(wěn)性信號(hào)，電壓和頻率成分在時(shí)間上的分布無規(guī)律，且 EEG 強(qiáng)度只有微伏級(jí)，容易受到外界電、磁信號(hào)，以及人體肌肉電信號(hào)的干擾。因此需要對其采用特殊且復(fù)雜的處理方法。

這也就意味著，同樣是抬胳膊挪腿，每個(gè)人大腦所釋放的 EEG 信號(hào)卻是不同的。于是就可以利用單邊的肢體運(yùn)動(dòng)或者想象運(yùn)動(dòng)來激活主要的感覺運(yùn)動(dòng)皮層，使大腦對側(cè)產(chǎn)生事件相關(guān)去同步電位 ERD（event-related desynchronization）。這一過程在 EEG 信號(hào)上的表現(xiàn)為特定頻率的節(jié)律性活動(dòng)幅度的降低。同側(cè)產(chǎn)生事件相關(guān)同步 ERS（vent-related synchronization），在特定頻率就表現(xiàn)出幅度升高。由此一來，就能夠得出佩戴者 EEG 所代表的含義，比如抬胳膊或者挪腿。

在算法的支持下，這個(gè)步驟并不麻煩，然而仍然需要佩戴者不斷地練習(xí)，從而釋放出更為明顯的信號(hào)以方便捕捉。上文所提到的BrainCo 利用 EEG 和神經(jīng)反饋算法制作出智能假肢，實(shí)現(xiàn)了安露與郎朗彈鋼琴同臺(tái)表演鋼琴的壯舉。該企業(yè)創(chuàng)始人兼 CEO韓璧丞曾獲得過麻省理工科技評(píng)論「35 歲以下創(chuàng)新 35 人」的殊榮。

圖：安露與郎朗同臺(tái)演奏（來源：CCTV）

除此之外還有其他的方法，芝加哥康復(fù)研究所則是利用表皮神經(jīng)來制作。對于殘疾人士來說，大腦知道其身體缺失的肢體，但是其他位置并不會(huì)，仍然會(huì)控制肌肉動(dòng)作，聯(lián)動(dòng)該已損失的肢體。比如小腿缺失患者的大腿，在收到大腦控制行動(dòng)的信號(hào)以后，依然會(huì)“通知”小腿該起來干活了。

正是由于人體這樣的特征，芝加哥康復(fù)研究所的科學(xué)家在患者的大腿部位放了 11 個(gè)電極，用于連接仿生假肢的微電腦。由此來為智能假肢接受大腿發(fā)出的信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)代替小腿的功能。但是這種假肢需要患者進(jìn)行定向肌肉神經(jīng)移植術(shù)（targeted muscle reinnervation），用于放大信號(hào)，以便設(shè)備捕捉。

Handiii 和芝加哥康復(fù)研究所的做法很像，不過他們免除了定向肌肉神經(jīng)移植的過程，直接依靠傳感器接收肌肉的電信號(hào)，以此對機(jī)械手臂做出反應(yīng)。不僅如此，Handiii 的智能假肢也能通過信號(hào)驅(qū)動(dòng)手指關(guān)節(jié)，原理如同上文提到的“大腿小腿”一樣，人類指關(guān)節(jié)活動(dòng)時(shí)，整個(gè)手臂都會(huì)釋放出微弱的信號(hào)。

圖：極具科幻感的 Handiii 智能假肢（來源：官網(wǎng)）

事實(shí)上對于智能假肢來說，無論是哪種信號(hào)的采集，都只能被稱作是“前提條件”，真正能夠模擬人類操作的還要?dú)w功于驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。目前一共有三種廣為認(rèn)可的驅(qū)動(dòng)方式：一、以氣動(dòng)人工肌肉作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；二、以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；三、混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

如果考慮實(shí)際使用效果的話，普遍認(rèn)為第二和第三種驅(qū)動(dòng)方法是可行的。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)非常明顯：控制不夠精準(zhǔn)、能量轉(zhuǎn)換效率較低、噪聲大、不便于攜帶等，因此抑制了其實(shí)際應(yīng)用。

在電影《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》中可以看到，所有的義體均為使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。那么問題就來了，是否有足夠便攜的電池或者發(fā)電機(jī)能夠支撐這些軀體活動(dòng)如此長的時(shí)間呢？電影中給出的解決方案則是：反物質(zhì)微型反應(yīng)堆強(qiáng)化心臟。Dyson 醫(yī)生甚至親口告訴阿麗塔，她的這顆心臟可以滿足一座城市幾年的能源需求。

微型高密度能源？

和其他眾多科幻片一樣，反物質(zhì)是微型超高密度能源裝置的“主流”解決方案之一，阿麗塔驅(qū)動(dòng)“狂戰(zhàn)士”機(jī)甲所需的能源就來自一套“反物質(zhì)微型反應(yīng)器心臟”。在現(xiàn)代科學(xué)的幫助下，微型能源作為微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）的一部分，已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了。

圖：阿麗塔的心臟被改造為一個(gè)“反物質(zhì)微型反應(yīng)器”（來源：Fox）

微能源主要分為微型電池和微型發(fā)電機(jī)兩大類，微型電池很好理解，即縮小電池體積，借用微構(gòu)件的差異性來實(shí)現(xiàn)更高的電池密度。而微型發(fā)電機(jī)則是一個(gè)非常值得深入的產(chǎn)業(yè)，它的交叉性非常強(qiáng)，一些大型發(fā)電機(jī)不能夠采用的結(jié)構(gòu)，都可以利用微型發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

微型發(fā)電機(jī)的種類遠(yuǎn)比普通的發(fā)電機(jī)要多，比如永磁發(fā)電機(jī)。但通常情況下，人類會(huì)采用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出，最終完成發(fā)電。

但是與電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、 運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗少、效率高、電機(jī)的形狀和尺寸靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)?？衫蔑L(fēng)能、水能等環(huán)境力為動(dòng)力源，在有限的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)長期供能。與常規(guī)的化學(xué)電池相比，盤式永磁微型發(fā)電機(jī)具有可長期儲(chǔ)存、無需人為補(bǔ)充能量、易于維護(hù)、污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)。

在不考慮材料損壞和環(huán)境能供給中斷的前提下，這簡直是一臺(tái)永動(dòng)機(jī)?？上У氖?，盤式永磁發(fā)動(dòng)機(jī)只有在微電機(jī)領(lǐng)域才能實(shí)現(xiàn)，一旦增加其體積，永磁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)便蕩然無存。

另外，振動(dòng)式發(fā)電機(jī)也是微機(jī)電一個(gè)重要的發(fā)展方向。這是由于振動(dòng)能的功率密度非常高，一旦加以利用，就能創(chuàng)造出遠(yuǎn)超熱電的效果。

圖丨各種情況的功率密度，單位：微瓦/立方厘米（圖源：DT 君）

可以從圖中看出，振動(dòng)能的功率密度是僅次于多云情況下的太陽能的。順便一提，圖中不包含功率密度微 15000 微瓦/立方厘米的太陽能直接照射情況，原因是會(huì)導(dǎo)致其他四組數(shù)值無法直觀地對比。

機(jī)械能是環(huán)境里最為廣泛的能源之一，振動(dòng)式發(fā)電機(jī)通過電磁、靜電、壓電等效應(yīng)，利用拾振裝置將外部的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，可以應(yīng)用于某些存在微振動(dòng)的環(huán)境中。英國南安普頓大學(xué)就曾研制出過一款電磁式振動(dòng)發(fā)電機(jī)，具體方法是將固定的磁體位于移動(dòng)線圈的任意一側(cè)，再將線圈置于能夠產(chǎn)生共振的硅結(jié)構(gòu)上。對負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化之后，當(dāng)輸入加速度為 9.81 每米/秒平方時(shí)，通過二維瞬態(tài)有限元的模擬，得到電壓幅度在 4 伏到 9 伏之間。然而這種振動(dòng)發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出電壓非常小，僅將近 1 伏。

麻省理工學(xué)院也曾研制出過類似的振動(dòng)式發(fā)電，但是他們采用了壓電方式。這種發(fā)電機(jī)由 PZT 材料制成，它與外部振動(dòng)源產(chǎn)生共振，因此便能根據(jù)電壓效應(yīng)產(chǎn)生電能。模型輸出的能量密度為 0.74 毫瓦時(shí)每立方厘米，這和鋰離子電池差不多。

圖：MIT 研發(fā)的微型振動(dòng)能發(fā)電機(jī)（來源：MIT）

另外，佐治亞理工學(xué)院教授、中國科學(xué)院外籍院士王中林在剛剛結(jié)束的的 EmTech 2019 全球新興科技峰會(huì)上，展示了摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG，全稱 Triboelectric Nanogenerator）：利用人類走路、呼吸等日常動(dòng)作產(chǎn)生僅僅幾瓦的能量，去支撐許多電子元器件的運(yùn)作。

所謂摩擦納米發(fā)電，實(shí)際上是借助摩擦產(chǎn)生的能量能夠作為靜電電荷在室溫下保留數(shù)小時(shí)之久這一現(xiàn)象，在材料表面增添特殊的屏障，防止摩擦產(chǎn)生的電荷回流到材料內(nèi)部中去。接下來只需要讓這些無法回到內(nèi)部的電荷驅(qū)動(dòng)內(nèi)置的納米級(jí)發(fā)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)電。

“義體化”與“忒修斯之船”

《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》所講述的故事中，重點(diǎn)落在了女主角用機(jī)甲術(shù)與敵人戰(zhàn)斗，以及最終找到了自己的身世真相，而機(jī)械假肢的部分并沒有做過多的描寫。卡梅隆并沒有把電影的核心放在和漫畫原著相同的水平面上，相反他對其中的機(jī)械假肢、場景進(jìn)行了放大，借助各種超強(qiáng)視覺效果的電影特效告訴觀眾“這就是真的！”

正如 86 版西游記中孫悟空的扮演者章金萊說過的那樣“改編不是亂編，戲說不是胡說”，卡梅隆的《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》更像是一次對現(xiàn)有科學(xué)的崇拜，以及對未來的猜想投影到了電影中。

圖：《阿麗塔》的設(shè)定中，機(jī)械假肢已成為未來人類的“標(biāo)配”（來源：Fox）

固然作為有血有肉的人類，可能很難接受全身變成機(jī)器的設(shè)定，然而誰又能說得準(zhǔn)呢？手機(jī)不是身體的一部分，可是這個(gè)小小的電子設(shè)備已經(jīng)成為了某種器官般的存在。波蘭游戲開發(fā)商 CD Project Red 在 2018 年 6 月發(fā)表了一款名為《賽博朋克 2077》的游戲預(yù)告，在這款游戲里，身上沒有電子眼、機(jī)械臂等仿生設(shè)備的人們幾乎是異類般的存在。盡管《賽博朋克 2077》的理念和《阿麗塔：戰(zhàn)斗天使》不盡相同，這或許是各界均認(rèn)為人類強(qiáng)化的兩種方式除了人體自身的基因強(qiáng)化，另一條路就是肉體與機(jī)器相結(jié)合了。

文中所提到的智能假肢和微機(jī)電系統(tǒng)，其實(shí)離我們的生活一點(diǎn)也不遙遠(yuǎn)，有些產(chǎn)品甚至已經(jīng)擺在了貨架上了。隨著這些設(shè)備的技術(shù)含量提高和價(jià)格成本的降低，未來 20 年內(nèi)定能普及市場。于是就有了“忒修斯之船”的終極考問：當(dāng)人類的核心身體部件都換成了機(jī)械，人類還能稱之為人類嗎？這大概也是阿麗塔在一次次改造過程中所一直探尋的終極命題了吧。