“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·卡梅隆（James Cameron）擔任編劇和制片、羅伯特?羅德里格茲（Robert Rodriguez）執(zhí)導的電影《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械假肢的少女，被一位表面上是醫(yī)生、真實身份為賞金獵人的中年男人從垃圾堆中拯救并重鑄身體，然后走上重新認識自我的故事。

《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，符號化程度更高、更為國人所熟知的可能是另一個誕生于 1989 年的漫畫 IP：《攻殼機動隊》（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格的《攻殼機動隊》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)達的工業(yè)化產(chǎn)物呈現(xiàn)，相比于素子背后擁有強大的公共資源制造并維護自己的身體，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、全身機械化的情況下，主角們對于意識、人性，以及“我是誰？我在哪？我要做什么？”的不懈追求，這是個哲學層面上的宏大話題，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。

圖：Dyson 博士對阿麗塔進行第一次義體改造（來源：Fox）

《攻殼機動隊》中的素子從工程角度上來看明顯要更容易讓人接受，她擁有的兩件最強大武器分別是當時人類已知科技能打造出的最強生化電子軀體，以及隨時隨地接入網(wǎng)絡(luò)獲取資訊的“超 5G”能力。作者士郎正宗在 20 世紀 90 年代能有此想象力已讓人欽佩，甚至有人評論，正是因為當時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，素子已經(jīng)由“本地實體版本”進化到了“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，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《攻殼機動隊》中用有限的實體戰(zhàn)力加數(shù)字化生存來打擊犯罪，還是《阿麗塔》用無限進化的“機甲術(shù)”去重新發(fā)現(xiàn)自我，科技樹點的不一樣，世界觀加成不一樣，孰好孰壞？大材小用？DT 君暫不做評價。

圖：素子的數(shù)字化生存 VS 阿麗塔的火星機甲術(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械假肢，這些人造的胳膊和大腿不僅宛若真實的血肉，還能發(fā)揮出遠超人類的力量。所以有很多觀眾不禁會贊嘆這些假肢的神奇和美妙，然而它們并非科幻，在現(xiàn)實的世界中，早就有了類似的產(chǎn)物。

現(xiàn)實世界中的“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，每當大腦主動控制身體去執(zhí)行某個動作時都會釋放出的 EEG、腦磁（Magnetoencephalography ,MEG）、代謝等信號。這些信號雖然微弱，但是隨著現(xiàn)代技術(shù)的提升，它們已經(jīng)可以被采集并且識別。

圖：MEG 信號的產(chǎn)生過程（來源：華盛頓大學）

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

這也就意味著，同樣是抬胳膊挪腿，每個人大腦所釋放的 EEG 信號卻是不同的。于是就可以利用單邊的肢體運動或者想象運動來激活主要的感覺運動皮層，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 信號上的表現(xiàn)為特定頻率的節(jié)律性活動幅度的降低。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，這個步驟并不麻煩，然而仍然需要佩戴者不斷地練習，從而釋放出更為明顯的信號以方便捕捉。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，實現(xiàn)了安露與郎朗彈鋼琴同臺表演鋼琴的壯舉。該企業(yè)創(chuàng)始人兼 CEO韓璧丞曾獲得過麻省理工科技評論「35 歲以下創(chuàng)新 35 人」的殊榮。

圖：安露與郎朗同臺演奏（來源：CCTV）

除此之外還有其他的方法，芝加哥康復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，仍然會控制肌肉動作，聯(lián)動該已損失的肢體。比如小腿缺失患者的大腿，在收到大腦控制行動的信號以后，依然會“通知”小腿該起來干活了。

正是由于人體這樣的特征，芝加哥康復研究所的科學家在患者的大腿部位放了 11 個電極，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，最終實現(xiàn)代替小腿的功能。但是這種假肢需要患者進行定向肌肉神經(jīng)移植術(shù)（targeted muscle reinnervation），用于放大信號，以便設(shè)備捕捉。

Handiii 和芝加哥康復研究所的做法很像，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，以此對機械手臂做出反應(yīng)。不僅如此，Handiii 的智能假肢也能通過信號驅(qū)動手指關(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)活動時，整個手臂都會釋放出微弱的信號。

圖：極具科幻感的 Handiii 智能假肢（來源：官網(wǎng)）

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

如果考慮實際使用效果的話，普遍認為第二和第三種驅(qū)動方法是可行的。氣動驅(qū)動的缺點非常明顯：控制不夠精準、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驅(qū)動。那么問題就來了，是否有足夠便攜的電池或者發(fā)電機能夠支撐這些軀體活動如此長的時間呢？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“狂戰(zhàn)士”機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)代科學的幫助下，微型能源作為微機電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）的一部分，已經(jīng)在實驗室中實現(xiàn)了。

圖：阿麗塔的心臟被改造為一個“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)件的差異性來實現(xiàn)更高的電池密度。而微型發(fā)電機則是一個非常值得深入的產(chǎn)業(yè)，它的交叉性非常強，一些大型發(fā)電機不能夠采用的結(jié)構(gòu)，都可以利用微型發(fā)電機實現(xiàn)。

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

但是與電勵磁發(fā)電機相比，永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、 運行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗少、效率高、電機的形狀和尺寸靈活多樣等優(yōu)點。可利用風能、水能等環(huán)境力為動力源，在有限的體積內(nèi)實現(xiàn)長期供能。與常規(guī)的化學電池相比，盤式永磁微型發(fā)電機具有可長期儲存、無需人為補充能量、易于維護、污染小等諸多優(yōu)點。

在不考慮材料損壞和環(huán)境能供給中斷的前提下，這簡直是一臺永動機。可惜的是，盤式永磁發(fā)動機只有在微電機領(lǐng)域才能實現(xiàn)，一旦增加其體積，永磁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點便蕩然無存。

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

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，原因是會導致其他四組數(shù)值無法直觀地對比。

機械能是環(huán)境里最為廣泛的能源之一，振動式發(fā)電機通過電磁、靜電、壓電等效應(yīng)，利用拾振裝置將外部的振動能轉(zhuǎn)化為電能，可以應(yīng)用于某些存在微振動的環(huán)境中。英國南安普頓大學就曾研制出過一款電磁式振動發(fā)電機，具體方法是將固定的磁體位于移動線圈的任意一側(cè)，再將線圈置于能夠產(chǎn)生共振的硅結(jié)構(gòu)上。對負載進行優(yōu)化之后，當輸入加速度為 9.81 每米/秒平方時，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。然而這種振動發(fā)電機的實際輸出電壓非常小，僅將近 1 伏。

麻省理工學院也曾研制出過類似的振動式發(fā)電，但是他們采用了壓電方式。這種發(fā)電機由 PZT 材料制成，它與外部振動源產(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)的微型振動能發(fā)電機（來源：MIT）

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

所謂摩擦納米發(fā)電，實際上是借助摩擦產(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)動內(nèi)置的納米級發(fā)電機，從而實現(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，重點落在了女主角用機甲術(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，相反他對其中的機械假肢、場景進行了放大，借助各種超強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，機械假肢已成為未來人類的“標配”（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器的設(shè)定，然而誰又能說得準呢？手機不是身體的一部分，可是這個小小的電子設(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，這或許是各界均認為人類強化的兩種方式除了人體自身的基因強化，另一條路就是肉體與機器相結(jié)合了。

文中所提到的智能假肢和微機電系統(tǒng)，其實離我們的生活一點也不遙遠，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：當人類的核心身體部件都換成了機械，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。