现实世界中的“义体化”,微型高密度能源？

“如果忒修斯之船上的木头被逐渐替换，直到所有的木头都不是原来的木头，那这艘船还是原来的那艘船吗？”

2019 年 2 月 22 日，由詹姆斯·卡梅隆（James Cameron）担任编剧和制片、罗伯特‧罗德里格兹（Robert Rodriguez）执导的电影《阿丽塔：战斗天使》在中国地区正式上映。

这是一部改编自日本漫画家木城雪户作品《铳梦》的科幻电影，讲述了一位除了头部以外皆为机械假肢的少女，被一位表面上是医生、真实身份为赏金猎人的中年男人从垃圾堆中拯救并重铸身体，然后走上重新认识自我的故事。

《阿丽塔》在卡梅隆购入版权后多年最终以电影的形态呈现在观众面前，但对于这个诞生于 1990 年的日本漫画 IP 不是太熟悉的人来说，可能并没有太多的期待。相反，符号化程度更高、更为国人所熟知的可能是另一个诞生于 1989 年的漫画 IP：《攻壳机动队》（Ghost in the Shell）。

图 | 漫改电影《阿丽塔：战斗天使》（来源：Fox）

同是未来赛博朋克风格的《攻壳机动队》与《阿丽塔》有着类似的设定：两位依旧保留了人类大脑、身体完全机械化的女主人公，前者草薙素子带领着公安九课以高科技手段打击犯罪，后者阿丽塔则走上了重新发现自我的道路。

当然，两位女主角虽然有着不同的人设，但作为科幻电影，主角的形态还是要以人民群众喜闻乐见的未来科技高度发达的工业化产物呈现，相比于素子背后拥有强大的公共资源制造并维护自己的身体，阿丽塔则显得更为“草根”：被 Dyson Ido 医生从“天空城”排出的工业垃圾中“捡尸”，然后回家装上一套 DIY 的机械身体。

看过这两部电影的观众不难发现，影片一大主题就是在保存了人类大脑、全身机械化的情况下，主角们对于意识、人性，以及“我是谁？我在哪？我要做什么？”的不懈追求，这是个哲学层面上的宏大话题，本文并不想着墨过多。但如果一定要以“硬科技”的视角去审视科幻电影，往往能发现一些不一样的看点。

图：Dyson 博士对阿丽塔进行第一次义体改造（来源：Fox）

《攻壳机动队》中的素子从工程角度上来看明显要更容易让人接受，她拥有的两件最强大武器分别是当时人类已知科技能打造出的最强生化电子躯体，以及随时随地接入网络获取资讯的“超 5G”能力。作者士郎正宗在 20 世纪 90 年代能有此想象力已让人钦佩，甚至有人评论，正是因为当时人类在科技上的想象力有限，所以漫画在首次连载后停更，等到再次连载时，素子已经由“本地实体版本”进化到了“云端数字版”，物质世界与信息世界对于素子来说，都成为了她的现实，也算是士郎正宗大胆预测了一把人类未来二十年的科技成果。

反观《阿丽塔》的情节就显得更为天马行空了，从最初被捡回来后完全“义体化”，到后来偶然发现 URM（火星共和国）坠毁战舰中用失传科技打造的“狂战士”机甲，再到最后彻底觉醒长出“天使之翼”（电影中并未出现）。比较值得玩味的应该算电影中出现的用于打造“狂战士”机甲的纳米技术，不仅具有与主人身体神经完全匹配的功能，还能快速自愈，似乎能看到钢铁侠“血边战甲”和金刚狼“阿德曼金属”的影子。

不论是《攻壳机动队》中用有限的实体战力加数字化生存来打击犯罪，还是《阿丽塔》用无限进化的“机甲术”去重新发现自我，科技树点的不一样，世界观加成不一样，孰好孰坏？大材小用？DT 君暂不做评价。

图：素子的数字化生存 VS 阿丽塔的火星机甲术

“义体化”无疑是《阿丽塔：战斗天使》中最重要的元素，电影中充斥着大量由特效制作而成的机械假肢，这些人造的胳膊和大腿不仅宛若真实的血肉，还能发挥出远超人类的力量。所以有很多观众不禁会赞叹这些假肢的神奇和美妙，然而它们并非科幻，在现实的世界中，早就有了类似的产物。

现实世界中的“义体化”

智能假肢和传统的假肢最大的不同在于它可以根据佩戴者的需求而改变姿态，目前来看市面上普遍将控制方法分为两种：以 BrainCo 代表的脑控智能假肢，以及 Handiii 和芝加哥康复研究所代表的表皮特征控制智能假肢。

脑控智能假肢很好理解，每当大脑主动控制身体去执行某个动作时都会释放出的 EEG、脑磁（Magnetoencephalography ,MEG）、代谢等信号。这些信号虽然微弱，但是随着现代技术的提升，它们已经可以被采集并且识别。

图：MEG 信号的产生过程（来源：华盛顿大学）

当然，虽然技术上可以实现，但是对于商业落地来说，只需要利用其中的一个信号便可以识别大脑的指示。EEG 容易采集、时间分辨率高，是目前脑机接口设计的首要选择。不过 EEG 是典型的非平稳性信号，电压和频率成分在时间上的分布无规律，且 EEG 强度只有微伏级，容易受到外界电、磁信号，以及人体肌肉电信号的干扰。因此需要对其采用特殊且复杂的处理方法。

这也就意味着，同样是抬胳膊挪腿，每个人大脑所释放的 EEG 信号却是不同的。于是就可以利用单边的肢体运动或者想象运动来激活主要的感觉运动皮层，使大脑对侧产生事件相关去同步电位 ERD（event-related desynchronization）。这一过程在 EEG 信号上的表现为特定频率的节律性活动幅度的降低。同侧产生事件相关同步 ERS（vent-related synchronization），在特定频率就表现出幅度升高。由此一来，就能够得出佩戴者 EEG 所代表的含义，比如抬胳膊或者挪腿。

在算法的支持下，这个步骤并不麻烦，然而仍然需要佩戴者不断地练习，从而释放出更为明显的信号以方便捕捉。上文所提到的BrainCo 利用 EEG 和神经反馈算法制作出智能假肢，实现了安露与郎朗弹钢琴同台表演钢琴的壮举。该企业创始人兼 CEO韩璧丞曾获得过麻省理工科技评论「35 岁以下创新 35 人」的殊荣。

图：安露与郎朗同台演奏（来源：CCTV）

除此之外还有其他的方法，芝加哥康复研究所则是利用表皮神经来制作。对于残疾人士来说，大脑知道其身体缺失的肢体，但是其他位置并不会，仍然会控制肌肉动作，联动该已损失的肢体。比如小腿缺失患者的大腿，在收到大脑控制行动的信号以后，依然会“通知”小腿该起来干活了。

正是由于人体这样的特征，芝加哥康复研究所的科学家在患者的大腿部位放了 11 个电极，用于连接仿生假肢的微电脑。由此来为智能假肢接受大腿发出的信号，最终实现代替小腿的功能。但是这种假肢需要患者进行定向肌肉神经移植术（targeted muscle reinnervation），用于放大信号，以便设备捕捉。

Handiii 和芝加哥康复研究所的做法很像，不过他们免除了定向肌肉神经移植的过程，直接依靠传感器接收肌肉的电信号，以此对机械手臂做出反应。不仅如此，Handiii 的智能假肢也能通过信号驱动手指关节，原理如同上文提到的“大腿小腿”一样，人类指关节活动时，整个手臂都会释放出微弱的信号。

图：极具科幻感的 Handiii 智能假肢（来源：官网）

事实上对于智能假肢来说，无论是哪种信号的采集，都只能被称作是“前提条件”，真正能够模拟人类操作的还要归功于驱动环节。目前一共有三种广为认可的驱动方式：一、以气动人工肌肉作为驱动系统；二、以电机作为驱动系统；三、混合驱动系统。

如果考虑实际使用效果的话，普遍认为第二和第三种驱动方法是可行的。气动驱动的缺点非常明显：控制不够精准、能量转换效率较低、噪声大、不便于携带等，因此抑制了其实际应用。

在电影《阿丽塔：战斗天使》中可以看到，所有的义体均为使用电机驱动。那么问题就来了，是否有足够便携的电池或者发电机能够支撑这些躯体活动如此长的时间呢？电影中给出的解决方案则是：反物质微型反应堆强化心脏。Dyson 医生甚至亲口告诉阿丽塔，她的这颗心脏可以满足一座城市几年的能源需求。

微型高密度能源？

和其他众多科幻片一样，反物质是微型超高密度能源装置的“主流”解决方案之一，阿丽塔驱动“狂战士”机甲所需的能源就来自一套“反物质微型反应器心脏”。在现代科学的帮助下，微型能源作为微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）的一部分，已经在实验室中实现了。

图：阿丽塔的心脏被改造为一个“反物质微型反应器”（来源：Fox）

微能源主要分为微型电池和微型发电机两大类，微型电池很好理解，即缩小电池体积，借用微构件的差异性来实现更高的电池密度。而微型发电机则是一个非常值得深入的产业，它的交叉性非常强，一些大型发电机不能够采用的结构，都可以利用微型发电机实现。

微型发电机的种类远比普通的发电机要多，比如永磁发电机。但通常情况下，人类会采用电励磁同步发电机，励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流，励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出，最终完成发电。

但是与电励磁发电机相比，永磁电机具有结构简单、 运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高、电机的形状和尺寸灵活多样等优点。可利用风能、水能等环境力为动力源，在有限的体积内实现长期供能。与常规的化学电池相比，盘式永磁微型发电机具有可长期储存、无需人为补充能量、易于维护、污染小等诸多优点。

在不考虑材料损坏和环境能供给中断的前提下，这简直是一台永动机。可惜的是，盘式永磁发动机只有在微电机领域才能实现，一旦增加其体积，永磁结构的优点便荡然无存。

另外，振动式发电机也是微机电一个重要的发展方向。这是由于振动能的功率密度非常高，一旦加以利用，就能创造出远超热电的效果。

图丨各种情况的功率密度，单位：微瓦/立方厘米（图源：DT 君）

可以从图中看出，振动能的功率密度是仅次于多云情况下的太阳能的。顺便一提，图中不包含功率密度微 15000 微瓦/立方厘米的太阳能直接照射情况，原因是会导致其他四组数值无法直观地对比。

机械能是环境里最为广泛的能源之一，振动式发电机通过电磁、静电、压电等效应，利用拾振装置将外部的振动能转化为电能，可以应用于某些存在微振动的环境中。英国南安普顿大学就曾研制出过一款电磁式振动发电机，具体方法是将固定的磁体位于移动线圈的任意一侧，再将线圈置于能够产生共振的硅结构上。对负载进行优化之后，当输入加速度为 9.81 每米/秒平方时，通过二维瞬态有限元的模拟，得到电压幅度在 4 伏到 9 伏之间。然而这种振动发电机的实际输出电压非常小，仅将近 1 伏。

麻省理工学院也曾研制出过类似的振动式发电，但是他们采用了压电方式。这种发电机由 PZT 材料制成，它与外部振动源产生共振，因此便能根据电压效应产生电能。模型输出的能量密度为 0.74 毫瓦时每立方厘米，这和锂离子电池差不多。

图：MIT 研发的微型振动能发电机（来源：MIT）

另外，佐治亚理工学院教授、中国科学院外籍院士王中林在刚刚结束的的 EmTech 2019 全球新兴科技峰会上，展示了摩擦纳米发电机（TENG，全称 Triboelectric Nanogenerator）：利用人类走路、呼吸等日常动作产生仅仅几瓦的能量，去支撑许多电子元器件的运作。

所谓摩擦纳米发电，实际上是借助摩擦产生的能量能够作为静电电荷在室温下保留数小时之久这一现象，在材料表面增添特殊的屏障，防止摩擦产生的电荷回流到材料内部中去。接下来只需要让这些无法回到内部的电荷驱动内置的纳米级发电机，从而实现摩擦发电。

“义体化”与“忒修斯之船”

《阿丽塔：战斗天使》所讲述的故事中，重点落在了女主角用机甲术与敌人战斗，以及最终找到了自己的身世真相，而机械假肢的部分并没有做过多的描写。卡梅隆并没有把电影的核心放在和漫画原著相同的水平面上，相反他对其中的机械假肢、场景进行了放大，借助各种超强视觉效果的电影特效告诉观众“这就是真的！”

正如 86 版西游记中孙悟空的扮演者章金莱说过的那样“改编不是乱编，戏说不是胡说”，卡梅隆的《阿丽塔：战斗天使》更像是一次对现有科学的崇拜，以及对未来的猜想投影到了电影中。

图：《阿丽塔》的设定中，机械假肢已成为未来人类的“标配”（来源：Fox）

固然作为有血有肉的人类，可能很难接受全身变成机器的设定，然而谁又能说得准呢？手机不是身体的一部分，可是这个小小的电子设备已经成为了某种器官般的存在。波兰游戏开发商 CD Project Red 在 2018 年 6 月发表了一款名为《赛博朋克 2077》的游戏预告，在这款游戏里，身上没有电子眼、机械臂等仿生设备的人们几乎是异类般的存在。尽管《赛博朋克 2077》的理念和《阿丽塔：战斗天使》不尽相同，这或许是各界均认为人类强化的两种方式除了人体自身的基因强化，另一条路就是肉体与机器相结合了。

文中所提到的智能假肢和微机电系统，其实离我们的生活一点也不遥远，有些产品甚至已经摆在了货架上了。随着这些设备的技术含量提高和价格成本的降低，未来 20 年内定能普及市场。于是就有了“忒修斯之船”的终极考问：当人类的核心身体部件都换成了机械，人类还能称之为人类吗？这大概也是阿丽塔在一次次改造过程中所一直探寻的终极命题了吧。