2
——好的工具是那些不需要学习就可以直接使用的工具，而电脑明显并不能算是其中一种。这个问题也许很快就会解决。

一只手握住鼠标，另一只手放在键盘上。鼠标指针在屏幕上从一个图标划到另一个。我们每天都在这么做。但是且慢……有什么不对劲？

仔细想想，鼠标其实是一种很怪异的东西。当你在一个水平面上移动鼠标的时候，指针会在另一个垂直平面上移动。还有比这更不合理的事情吗？

人们把我们和其他东西交互的途径叫做界面。我们用键盘鼠标来操作电脑，键盘鼠标和电脑上显示出来的东西就是界面；我们写字，笔尖划过纸面的沙沙声、纸张的质感和味道，也是界面；我们叫一只小狗来到我们身边的时候，我们的声音、动作和小狗做出的反应，都是界面。

如果这些输入和反馈符合我们的习惯，那就是好的界面。然而，电脑不是。

第一个商业软件程序员、“人性设计”的倡导者阿兰•库珀说，最好的界面是那些人们已经熟悉到几乎遗忘了的界面。

终极的用户界面就是没有界面。我们写字，看到一篇文章渐渐成型，我们手指的每一个动作马上都会得到反馈，看起来像是我们的想法直接流泻到了纸上一样。能想象我们写下几个字母，然后字母们在纸上啪嗒一声变成一个汉字么？

电脑的界面一直很差。如果一个原始人穿越到了现代，一定会认为我们都是巫师——我们做出奇怪的手势，面前的镜子上就会出现神秘的符号和画面。我们在一块板子上敲敲打打，另外一个地方却出现了变化。

这不自然。当有人要买一个钻头的时候，实际上他想要的是一个洞。而现在，我们在学习如何使用钻头这种新工具上花了太多的时间。

上个世纪80年代，尼古拉斯•尼葛洛庞帝在麻省理工学院创立了媒体实验室，致力于改变人们生活的方式——特别是和电脑交互的方式。1995年，他把写给《连线》杂志的专栏文章整理成了一本书，叫做《数字化生存》。他建议人们转移注意力，把电脑的发展方向转移到创建更好的界面上去。

虽然随后的互联网泡沫让这本书很快地过时，但是我们还是很庆幸地发现，许多企业开始把精力投入到研究更自然的界面当中。iPhone采用的多重触摸技术，让人们对电子设备的操作从单纯的指指点点转向一个更自然的方向。微软的“Surface”电脑试图把屏幕和桌子合二为一，当人们在其上比比划划时，它会给我们合适的反应。电影《007之量子危机》中，邦德在总部使用的那部超酷的大触摸屏电脑，就是基于“Surface”而设计的。

3
回到开头那个视频。

08年2月，来自麻省理工学院媒体实验室的印度学生Pranav Mistry向世界展示了一种新设备，叫做“第六感”。
它的奇妙是，它“没有”界面。

初看上去，“第六感”并没有太特别的地方。它由市场上随处可见的摄像头、微型投影仪和智能手机组成，用一根绳子挂在使用者胸前。摄像头随时拍摄出图像，然后由手机中的软件对其进行处理，并且用投影仪将结果投影到任何地方——手上、白墙上、纸上，甚至别人的衣服上。

就是这样看起来平平无奇的小东西，赢得了《大众科学》杂志评选的2009年度创新奖。老牌杂志《计算机世界》在谈到它的时候居然打出了《未来冲击：2019年的计算机》的标题。当然，不需要到2019年，它就会出现在我们生活中。

它最创新也最迷人的地方，在于把一切不符合直觉的操作都隐藏了起来。使用“第六感”时，人们以最符合直觉的方式与虚拟世界互动。摄像头拍摄一切——只需要用两只手的食指和拇指比出一个取景框就可以拍照，只需要用手指指指点点就可以作画，只需要拿起一本书就可以在封面上看到亚马逊书店对这本书的评价，想把一段文字从书上输入到计算机中只需要用手指比划一下。它抛弃了过去六十多年来那些操作计算机的方式，让人们可以向操控真实世界的物体一样随时从数字世界中抓取自己需要的内容。一切尽在指尖。

“第六感”和微软的“Surface”比起来，就像是手机和固定电话的区别一样。

类似的东西，我们已经在科幻电影里看得太多，然而现在我们却依然不得不依赖键盘和鼠标这种生硬的界面，然后在其上建立起一种极为勉强的对应方式————这和我们在纸上书写的体验严重不符。

这就是 “第六感”装置如此吸引人的原因。它将真实与虚拟结合为一体，使用摄像头将真实世界的东西拖到虚拟世界当中，加以识别、判断，用一个摄像头做为眼睛，让软件和互联网成为大脑，并且用投影仪将其展示在任何平面上。它不像是我们熟知的计算机，更像是我们的第三只眼睛，和被延伸了的大脑。几部随处都可以看到的设备，加上一点点软件魔法，就成了一种潜力惊人的工具。

这样的创新看起来像是那种“啊，我怎么没想到”的类型。无数人拥有摄像头、投影机和功能强大得多的电脑，但是在Pranav之前，没有人意识到可以用这些来改变人们和机器对话的方式。

将几种技术结合起来所诞生的创新大抵都是这样。从电话到互联网，从移动通信到物联网，都只不过是将几种现有技术结合起来而获得的——然后在这样的新平台上，逐渐出现了更多纷至沓来的惊艳应用。

4
我们现在也许处在一个奇妙的时间点上。美国发明家Ray Kurzweil在上世纪七十年代提出的一种叫做“技术奇点”的理论，认为技术之间的结合和相互促进将会让人类技术文明以指数级持续加速发展——这一点已经被证明了，毋庸置疑。然而当前主流学界对这一理论持观望态度的原因在于，技术奇点理论认为当这种加速持续到某个时刻，将会产生一次彻底的变革。那可能是人工智能超越人的智能，也可能是人们可以直接以意识方便地和计算机沟通，以及由此引发的“智能大爆炸”。但是在智能大爆炸之后将会发生什么，没有人能够预测得出。这也是为什么他将这一理论命名为“技术奇点”的原因——在宇宙大爆炸理论中，我们对奇点也依然一无所知。

虽然这个理论听起来很有些科幻的味道，但是我们不得不承认，技术正在裹挟我们迅猛前行，未知的前路以越来越快的速度向我们迎面而来。为了应对这个正在飞速变化的世界，我们只能借助更多技术的帮助，而更多的技术只能带来更快的变化。这像是一个怪圈，一旦陷入，永远不能脱离。

但我们最少可以从“第六感”这样的设备中看出一些端倪。我们将会成为这个星球上首次在真实世界和数字世界中随意切换的一代人，也许我们将会不再严格地区分物理或者逻辑、字节或者原子。我们的地球甚至可能会变成一个类似《阿凡达》中的潘多拉星的地方：一切真实和虚拟都会无缝连接在一起，每个人都成为一个超级智能中的一部分。

5
关注第六感，到写这篇文章，花了大半年时间，期间一直在关注这种设备。虽然如此，但是在听到他说这将是一个开源项目之后，还是忍不住激动。

我个人认为，这种东西会改变我们使用互联网的方式……正如其他增强现实设备一样，我们已经有了能够将互联网和真实生活连接在一起的工具。在未来的一段时间内，这样的设备应该会越来越多，我们会有各种各样的可能性。

然而，我对第六感的了解还相当的不深入。在这篇文章里，我用“一点点软件魔法”来打了一个马虎眼，但是软件应该是这个系统中最为核心的部分。也许我们可以一起来揣测一下……您认为第六感的软件系统应该有什么样的结构？它的一些特征性的功能是如何实现的？或者，让我们畅想一下，这样的产品，也许还会发展出什么样的应用？

请在评论中留下您的观点吧。

编辑：姬十三

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的确，“动作识别”已经不能算是什么新东西，王教授带领的跨学科团队在进行更先进的研究——将生物的神经电信号采集出来，通过通信网络传输。在1月20日的一个实验演示上，王教授带领的项目组成功实现了南京和北京两地的蟾蜍神经电信号远程传输。一只蟾蜍在缩腿时，一千多公里外的另一只蟾蜍几乎在同时做出相同的动作。

“这只是第一步，它验证了神经可以通过微电子器件来相互桥接。”王教授说，“我们的最终目标是希望截瘫患者能够重新恢复肢体功能。从长远来看的话，让使用者在远程通过动作信号来控制机器人也是可行的。”

神经电信号和微电子器件

如果我们把人体比做一个世界，那么神经系统也许可以看成是蔓延交错的互联网。从脑出发的下行神经信号将运动指令送到神经-肌肉接头，皮肤上的感受器将温度压力触觉等等感觉信息转换为神经信号上行传递给大脑。在神经系统中，也像我们互联网一样，主要通过电信号来传递信息。

虽然如此，但并不意味着我们可以用一段铜丝来取代神经。神经纤维纤细且脆弱，即使是人体最粗的脊髓神经束，也只不过手指般粗细，但是却承载了成千上万路的下行和上行信号。这给因为脊髓神经受损导致截瘫的病人带来了很大的治疗难题——这些神经纤维像是一大捆没有标号的网线扎在一起，而其中的每一根都只有几十分之一到几百分之一毫米。将这些神经纤维一一连接起来是异常艰巨的任务，而病人那些本来能够正常工作的肌肉和皮肤上的感受器，也就无法和脑连接起来。就像是网络中断了一样。

“所以我们有了‘微电子神经桥’的设想，”东南大学射频与光电集成电路研究所所长王志功教授说，“就是将受损的神经两端用微电子器件连接起来。将一端神经上传递的电信号提取出来，滤除无用信息、放大，然后再接到另一端神经上，来恢复神经的功能。”

这项工作描述起来很简单，但是包含了三个循序渐进、越来越难的目标。第一步，是能够通过微电极和微电子芯片让神经之间连接起来，为信号传递做好准备；接下来，要让神经电信号能够通过搭建起来的连接进行传递；最后，要确保信号经过这样的交换之后能够传递到正确的神经纤维上，不至于搭错了线。这三个目标，也是王教授带领的项目组攻关的方向。为了达到这个目标，王教授和他的项目组已经进行了十年的研究。

“现在我们已经能做到八路信号传输，上行四路，下行四路。但是在动物身上做实验会有些问题，动作信号传递比较容易验证，但是感觉信号就有些麻烦——毕竟小动物也不会告诉你哪里感觉到了什么。”王教授继续介绍到，“而且只做到这些还不够。我们要做的还有很多，比方说做到更多路的信号传输，比方说允许电极之间可以任意切换，这样可以控制某两组神经之间的连接。就像计算机的跳线一样，选择某组神经对上另一组神经。”

当达到王教授的目标时，脊椎神经受损的截瘫病人将可以重新像正常人一样感受世界，人们可以通过动作神经信号来遥控机械工作，相恋的人可以像电影《阿凡达》中那样，通过网络感受到彼此的触摸。

“最近我和吕教授刚带着课题组的老师和研究生们去看了《阿凡达》。”王教授笑着说，“听说这部电影也花了十年。这样看来，我们大概是同期开始的工作，只不过他们做的是科幻，我们做的是科学实验。”

一个似乎科幻的项目

在2004年，王教授以“植入式中枢神经重建SOC的设计与实验研究”为题申请国家自然科学基金时，引发了评审专家们的热烈讨论。“评审专家一致认为这个课题很有创新性。但是也有人觉得：是不是有点太科幻了？”

这个被问到“有点科幻”的项目，实际上早在二十年前就已经萌芽。当时王志功教授夫妇都在德国工作，王教授专攻集成电路设计，他的妻子吕晓迎教授则进行医学方面的研究。而当时吕教授的妹妹也在德国参加一个欧盟资助的科研项目，使用集成电路技术来捕捉面前的影像，再将影像转化为电信号，刺激视神经，最终目标是让盲人能够重见光明。这个项目的研究内容与王教授夫妇的研究领域都有些关系，通过在家中的讨论交流，他们对植入式微电子神经芯片有了了解和兴趣。

在1997年回国之后，王教授将大量时间精力投入到射频与光电集成电路研究所的建设工作当中，但是依然关注生物电子学和微电子技术的结合。他们夫妇在2001年分别指导自己的本科毕业设计学生进行了“生物用集成电路的发展和应用状况研究”和“视觉修复电路设计”的课题研究。“当时我们考虑将神经方面的内容和微电子方面的内容结合起来，但是并没有选择特定的神经类型。”

一个重大的转折出现在2003年。在江苏省自然科学基金评审会上，王教授与时任南通医学院院长、江苏省神经再生重点实验室主任的顾晓松教授相识。在午餐桌上，两位教授开始谈起专业话题，对于王吕二位教授思考的问题，顾教授建议考虑从脊髓神经切入——因为顾教授的项目组已经在外周神经生物学方法再生研究中取得了一系列进展，而脊髓神经再生却依然是一个世界级难题。

也就是从这时开始，王志功夫妇、顾晓松三位教授组成的这个横跨集成电路设计、生物电子学和神经生物学三个领域的研究团队开始为了一个共同的目标走到了一起。

在以侯朝焕、王立鼎、汪承灏、沈绪搒等多位院士组成的评审专家组的鼎力支持下，王教授他们的项目最终得到了2004年国家自然科学基金“半导体集成化芯片系统基础研究”重大项目中的80万元的资助，从2004年到2006年，经过了十几次大鼠和兔子的动物实验，验证了大鼠与兔子坐骨与脊髓神经桥接的可行性，并且申请了一项国家专利和一项国际专利。受到专家的好评，国家自然科学基金委员会又给予了80万元滚动资金，支持王教授他们三个合作团队将研究继续向前推进。

跨领域的团队

现在就任东南大学生物电子学国家重点实验室副主任的吕晓迎教授，主要研究方向有材料生物相容性新技术、生物传感器和生物微电子器件，包括植入式神经电极的制作、修饰和生物相容性、神经信号处理、降噪、体内外无线供电技术等等；南通大学江苏省神经再生重点实验室主任顾晓松教授的团队，则主攻脊髓形态学测量和动物神经微手术方面的研究。而最新进入合作的中国康复研究中心脊柱与脊髓神经功能重建科杜良杰主任则直接从事康复医学的研究。“我这里主要做的是微电子芯片和电子神经混合系统信息学方面的研究。所以我们这是个跨多个科学领域的合作研究团队。”王志功教授说。

这也是个研究领域跨越了生物和非生物界限的团队。从1924年的那个夏天，德国医生汉斯·贝格尔从人脑表面测到微弱电流开始，人们开始明白，事实上人类的意识也只是由神经细胞之间的电信号传递来形成的。这展示了一种全新的可能：当人们能够破译出这些电信号所代表的含义时，也许就意味着人们可以使用其他设备来替换或者连接神经系统，甚至可以直接读懂别人的想法。

这是一个美好的前景，但是一直到现在，人们也还没能实现这个目标。而在这个过程中派生出来的“脑机接口”领域却开始蓬勃发展，希望能够通过检测脑电波或者特定脑区的供血量变化，来判断人的行动意图，并且由此来控制计算机或者其他机械。现在科学家们已经可以通过脑内电极或者头皮外电极接收脑电信号并且进行分析整理，以让人们可以直接通过思考来收发邮件、玩游戏、控制轮椅或者机械手臂；而这种生物学、医学和微电子、计算机科学的跨领域研究，必然会将人类带入到一个崭新的时代，一个生物和电子设备共生、人的智能和芯片的记忆力及计算能力相互增强的美好未来。一个跨越了区隔的未来。

“跨领域研究和单独领域的研究不一样。”王教授认真地说，“它需要的是多个学科的合作和交流，也就需要对涉及到的每个学科都有一定程度的了解。所以我多年来一直学习神经生物学方面的内容，从百年来诺贝尔生物与医学奖得主的文章到顾教授写的《人体解剖学》教材和丁斐教授的《神经生物学》等等，一直在学习。对于跨领域的研究来说，我觉得这很重要。”

这也同样意味着艰苦的努力。“所以我经常用马克思的那句话来鼓励自己，也鼓励我们的这个团队，”王教授用马克思的名言来做为结尾：“‘科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦、沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。’”

已发于近期《瞭望东方周刊》，与发表版略有不同。

后记：

采访王教授时，他正在南京、上海、北京三地之间奔波。但是王教授依然抽出一整块时间，仔细向我介绍他们的研究工作，我发给他的邮件也总是很快就得到回复。在来往邮件、短信和电话中，王教授认真地对这篇稿子进行了大量修订，返回的稿件上布满了密密麻麻修改过的标记。从术语到人名，无一不经过他细心校对修改。

现在的这个版本是经王教授和吕教授共同审定的最终稿，谨以此向王吕二位教授致谢。

由于版面原因，还有更多的内容未能写出。这个联合团队现在正在进行更深入的研究，不仅限于脊髓神经再生，还包括肌电信号的获取和传递。这些技术将不仅仅能够帮助脊髓神经受损的患者重新恢复活力，还能够让人们掌握更方便的沟通之道——不仅通过意识来控制身体，还能通过意识来控制机械。

祝愿这种美好前景早日实现。

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除非，我们能从这颗天才的头颅中，将无形的思考，转换成一个更加清晰的世界，让潜水钟般沉重身体里的思绪，能够像蝴蝶一样轻盈地自由飞翔。

幸运的是，随着脑机接口的发展，这并非绝不可能。

进化

更高、更快、更强。这不仅是奥林匹克运动会的口号，也是人类文明进步的方式。机械工具延伸了人的手，交通工具延伸了人的脚，互联网和通讯产品延伸了人的耳和嘴甚至大脑。但软弱的肉体和大脑对神经和肌肉的依赖，数千年来总让人们无计可施。

直到1924年，人类的面前出现了一道曙光，得以一窥大脑的奥秘。这一年七月的一个傍晚，德国医生汉斯·贝格尔（Hans Berger）第一次从颅骨受损的病人头部测到了极为微弱的电流。在经过近五年的漫长实验后，他终于确认了这种神秘的电流的确来自于脑部活动，并且给自己发明的这种测量方法命名为脑电图（EEG，electroencephalogram）。他从一千多张脑电记录中发现了脑电的部分规律，并且将人们清醒并闭眼时的脑电波定义为阿尔法（α），而将睁开眼睛时的脑电波定义为贝塔（β）。

随后的几十年，人们又找到了其他一些频率的脑电波，并且把它们和大脑的状态对应起来：熟睡时的德尔塔（δ）、困倦、冥想或被催眠时的西塔（θ）、进行复杂的思想活动或者情绪波动时的伽玛（γ）、以及只能在掌管运动的区域探知的缪（μ）。脑电图开始逐渐成为脑部诊断的必备工具，意识的生理基础不再是一个需要争论的哲学命题。

然而贝格尔医生没有等到EEG大放异彩的那天。在他逝世的时候，电子计算机还没有被发明出来。当电脑和人脑联合时将会必然发生的巨变，怕是连贝格尔医生自己，也从来未曾想到。

20世纪70年代，在美国国防部的国防先进技术研究署（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency，就是这个部门发明了互联网）资助下，加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA， University of California Los Angeles）开始尝试利用EEG，将人类思考的结果不借助肌肉和神经组织，而直接通过计算机来输出——让思考可以直接被看到，让大脑可以直接控制机械，让肉体的羁绊消失于无形。

直到这时，脑机接口（BCI，Brain-computer Interface）这个词才首次出现在科学文献中。伴随这个词出现的，是人们对于大脑活动越来越深入的理解。1978年，人们发现猴子可以在训练后，快速学会自由地控制初级运动皮层中单个神经元的放电频率；1989年，约翰霍普金斯大学的科学家发现恒河猴手臂运动方向和大脑运动皮层中单个神经元放电模式的关系；而到了九十年代，一些研究人员已经能够实时捕捉运动皮层中的复杂神经信号，并且用来控制外部设备。机械义肢可能变得和原生肢体一样容易使用，人类在进化的漫长道路上看到了一种全新的可能性：人和机械，可以作为一个生命的不同组成部分而共存。

童年的结束

脑电图在头皮外测量，电极仅仅用于接收信号。这是它最大的优势，不会对监控的大脑造成任何可能的损伤。而它的缺点也同样明显：在头皮外接收到的电信号不仅微弱，而且多个脑区的活动信号会叠加在一起，最终形成看起来十分混乱的波形。

幸好这些缺点可以部分克服。微弱的电信号可以放大，而波形的分离早在十九世纪就已经由法国数学家傅立叶解决。现在我们只需要解决脑电波和大脑思考行为的对应关系就行。

但是，这却是最大的难点。大脑中有超过140亿个神经元和超过1000亿的神经元连接，而且由于大脑惊人的适应性，对一个人来说某种行为对应的神经元活动，可能在另一个人身上就完全换了另一组完全不同的神经元。实在很难找到一个共通的模式，可以轻松地让大脑活动变成电脑屏幕上跳跃的文字或者图标。研究人员们现在只能通过探寻一些粗略的模式来进行分析，但是这样的模式避免不了误判的可能。

现在，基于EEG的脑机接口主要集中在两个方向：诱发的信号和自发的信号。当某个异常事件发生后的300毫秒左右，将会检测出一个被叫做P300的电波峰值；当眼睛受到光或图像刺激后，视觉皮层将会产生视觉诱发电位。这两类信号可以通过诱发产生，而且判断准确率较高，但是缺点是需要外界刺激，并且依赖人体本身的某些知觉才能工作。而当某侧肢体运动或者仅仅是想象其运动时同侧的脑区产生的事件相关同步电位、通过反馈训练可以自主控制的皮层慢电位和自发的阿尔法、贝塔等脑电信号虽然不需要外界刺激，但是需要大量的特殊训练和适应过程。毕竟，世间安得两全法，鱼与熊掌，永难兼得。

基于EEG脑机接口进展的举步维艰，让人们不得不另辟蹊径。功能性核磁共振（fMRI，functional Magnetic Resonance Imaging）这种经常摆在医院里的巨大工具，成了科学家们盯上的下一个目标。功能性核磁共振可以用于查看大脑中不同脑区的血液流动情况——一般来说，思维活跃区域的血液流量就会相应增加。这样，通过监测不同区域的血液流动情况，和之前训练的图像进行对比，就可以判断被监控者的思维活动。2006年，日本国际电气通信基础技术研究所和本田研究所两家机构采用这种技术，开发出可以控制机械手的脑机接口，控制的延时只有几秒钟。和脑电相比，功能性核磁共振有更多的优势，但是fMRI实在体积太大，现在还不能指望能够做成一顶头盔戴在头上。

而且，更精确的思考，不会存在于头皮之外，只能从头颅内部去寻找。

在脑中植入电极的设想，几十年前看起来还像是个笑话，但是现在人们已经开始认真地考虑其可行性了。通过一系列动物实验，科学家们已经开始小范围地尝试在人脑中植入电极。这样做的好处显而易见：减少其他脑区活动产生的电波干扰、精确定位电信号的出处。

2004年6月，马萨诸塞州福克斯煲的“赛博动力学”公司（Cyberkinetics）为一位24岁的四肢瘫痪者马特·内格尔（Matt Nagle）脑中植入了一枚芯片。这枚被叫做“脑门”（BrainGate）的芯片只有药片大小。医生为马特做了一个开颅手术，把“脑门”放在大脑表面。在经过9个月的练习之后，马特可以仅凭思考来收发电子邮件、控制一个机械手臂，甚至可以玩电脑游戏。“脑门”有96个电极，可以探测1000多个神经元细胞的活动。将这些神经元的活动发送出来，通过电脑的分析和处理，让马特获得了更好的生活质量。

2008年，匹兹堡大学的一项研究成果发表在《自然》杂志上。他们的一个研究小组将微电极阵列植入恒河猴大脑的运动区，采集多个神经元的放电信号，并且通过计算机转换成电动假肢的控制命令。经过一段时间的训练之后，猴子学会了直接用大脑控制假肢运动，对抓取力度和假肢运动轨迹的控制达到了很高的准确度，几乎把机械假肢当成了自己的另一条手臂。

然而，这种方式有很明显的风险。即使是最乐观的人也会谨慎地看待这种植入大脑的芯片，将它可能带来的利益和生命安全放到天平的两端时，孰轻孰重一望可知。大脑，这一标志着地球上生物的智慧顶端的物体，并不适合随便对其动手动脚。

毕竟大脑是一个太过于复杂的存在，以至于有人曾经写下一个关于大脑的悖论：“如果人类的大脑简单得能够让人理解，那么人将愚蠢得不能理解自己的大脑。”然而，随着技术的发展，我们并非没有可能打破这一悖论。如果将“了解自己”做为成为成年的标志，那么在机器的帮助下，人类这个种族自身，也许快要迎来童年结束的那一天。

被毁灭的人

现今的世界上已经有超过十万人植入了人工耳蜗。这是一种大小和助听器类似的小型电子设备，可以将收集到的声音信号变成电信号，直接刺激人的听觉神经，从而让失聪的人们能够听到声音。视觉重建的研究也在进行当中，它们可能会在将来帮助那些眼球受损的病患获得视觉。虽然在目前的技术条件下，电子眼无论是视力还是颜色都不能和真正的人眼相提并论，但和完全失明相比，这无疑是一个比较好的选择。而在更加负责的控制方面，人们走得还不够远。

今年4月，美国威斯康星州立大学麦迪逊分校的亚当·威尔逊戴着一顶连着电线的红帽子，只用脑电波控制，在网上写了几条短小的微博客。屏幕上的字母阵列来回闪动，看起来像是几十年之前的古老游戏。他盯着屏幕，直到屏幕上一个个字母跳出来：“我在用大脑拼写。”虽然速度很慢，每分钟只能写大概十个字母，但是这已经是不错的开端。澳大利亚和美国的几家公司也已经开发出基于EEG的脑机接口头盔，往往安装了十六个以上的接收电极。使用者在经过短暂的训练后，可以用它来控制轮椅或者玩一些简单的游戏。

即便速度缓慢、功能单一，但是对于那些因为意外、战争或者疾病而失去肢体活动能力的人，通过脑机接口控制的义肢可能是最有希望让他们和正常人一样生活的工具。几乎可以确信，使用脑机接口的义肢已然为期不远，我们即将拥有必将在各种方面都超过原生肢体的义肢。碳纤维、钛合金、意识控制，接下来每个人都会想到诸如《终结者》、《攻壳机动队》、《钢铁侠》或者《新世纪福音战士》中的场景。当这种期望成为现实，人们又将如何面对？

在去年的北京奥运会上，南非短跑运动员“刀锋战士” 奥斯卡·皮斯托留斯（Oscar Pistorius）没能通过400米比赛的预选。起初奥委会认为他的假肢对其他正常运动员来有着特殊的优势而禁止他参加预选，这一新闻登上了各大媒体的头版头条。奥斯卡的假肢没有任何控制功能，仅是在性能上超过人类天生的肢体，就已经引起如此轩然大波，那么当更快更强、更容易控制的人工肢体可以随意安装和组合时，必然将会将争论的方向引导到那个古老的哲学命题上：人是什么？怎样定义“人”？

然而，哲学和伦理上的争论最多只能暂缓科学的脚步，但却永远无法阻止人类的好奇心和文明发展的进程。

纪元的终结

“他小心翼翼地把黑色毛线吸汗带系在额头上，以免弄乱了平坦的仙台皮肤带。他盯着膝上的控制板，但并没有真正看它……

……

他正在什么地方的一间刷成白色的阁楼里大笑，远方的手指抚摸着控制板，宽慰的眼泪从脸上流了下来。”

威廉·吉布森的《神经浪游者》，一直被认为是赛博朋克的开山之作。这本书不仅是历史上唯一一本获得星云、雨果、以及菲利普·狄克三项世界科幻界最高奖的科幻作品，而且看起来相当精确地描述了我们的发展趋势。今天的科技必然将会过时，迟早会有那么一天，我们不再需要天生的身体，而只需要一个健全的大脑。

在《神经浪游者》发表前几年，美国发明家雷蒙德·科兹威尔（Raymond Kurzweil）提出了一种名为“技术奇点”（ Technological singularity）的理论，并且成功地让著名硬科幻作家弗诺·文奇（Vernor Vinge）成为了这一理论最热情的传道士。科兹威尔认为，在人类历史上，技术发展的速度并不是均匀的，而是以一种越来越快的方式在加速发展。他找了一些在各自领域中做出重大突破的人和组织，请他们列出认为人类历史上最重要的技术突破和发明，然后把这些事件发生的时间标在对数坐标系上，然后吃惊地发现自己的直觉符合事实，人类的技术发展正在加速向着某个爆发点冲去。借用物理学上的概念，他将这个技术发展到近乎无限的点称为“技术奇点”。之所以采用这个名字，是因为和宇宙的起点一样，它不能用现在的规则来预测其结果。它将是另一种大爆发的起点。

虽然主流学界对技术奇点理论抱持着观望的态度，但是谁都不得不承认，科技发展正在裹挟我们轰然而去，未知的前方以越来越快的速度向我们扑面撞来，没有人能够闪躲。将人类的优势和电子设备的长处结合起来，已经是我们习以为常的生活。为了应对正在变得越来越快、越来越复杂的世界，人类有必要借助全新的外界帮助，正如三百万年前的原始人需要借助石头和火的帮助一样。

也许，脑机接口将会是我们现在身处的这个信息时代的星星之火，将会终结人类作为一个自然进化物种的漫长纪元。

发于《科幻世界》

Update：其他与脑机接口的文章请见anpopo的《永不消逝的电波》和圆儿的《人脑遥控器》以及小红猪小分队的《生化机械人上市开卖喽》

Update : 犹他大学开发出一种覆盖大脑表面的微型电极，植入手术时的照片被评选为《大众科学》杂志 “年度最惊人科学照片”之一。

Update：波士顿大学主导的一项研究成功地让一位闭锁综合征（locked-in syndrome）患者重新恢复了发音能力。他们在病人大脑的中央前回植入电极，将截获的脑电信号通过无线方式传递出来，然后再用计算机翻译成人类语言。发音啊！无线啊！

Update：今年布鲁斯威利斯的电影《Surrogates》讲的也是关于这个……开头就提到了用机械手的猴子……

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基本上我们可以确定，在几十年之内，人脑的能力并不太可能有巨大的提升。但是让大脑的工作集中在人类能做而机器不能的领域上，似乎是效率较高的方式。让机器去记忆，而让人来选择，这才是彼此的优势所在。

这种设想在虚拟世界中十分容易，但是现实世界中似乎会碰到些问题。图书馆的书架上没有Google搜索框，翻开一本书时手指所及之处，也不会跳出金山词霸的翻译窗。即使带着地图去旅游，但对于像我这样不辨方位的路盲来说，向左走还是向右走，本身就是一个堪比“to be or not to be”的艰难抉择。虚拟世界中那些触手可及的信息，在现实世界显得遥远无比。

不过最近我们有了一些好消息。Google的Android手机和苹果的iPhone上出现了几种不错的小软件，可以帮我们把真实世界和虚拟世界捆在一起。借助有摄像头、能上网的智能手机，我们可以获得看待世界的全新方式。真实世界的景物和虚拟世界的数据叠加在屏幕上，我们透过它将看到一个混合了真实和虚拟的窗口，看到被虚拟增强了的现实。

增强现实（Augmented Reality）这个概念，是在1992年提出的。时任波音公司计算机研究部门的首席科学家托马斯·考德尔（Thomas Caudell）在美国电气与电子工程师学会上发表了一篇论文，认为可以采用头戴式显示器，将数据投射到对应的真实世界的景物上，以降低制造业的生产成本和提升效率。在他的设想中，这就像是一个随身的助手，他会随时告诉你你需要知道的一切。

和“虚拟现实”（Virtual Reality）这个正在大热的概念不同，增强现实并不试图完全从头构建一个全新的世界，而是在真实世界的基础上做一些加工。它追求的是在最适当的时间给予最适当的帮助，而且将真实世界和虚拟世界严格地对应起来。“对应”是增强现实的关键词之一——当你看着一只梅花鹿的时候，你的增强现实系统不应该告诉你那是一匹长了斑点的骏马。

增强现实的概念很吸引人，但是从它被提出之后，对增强现实的研究仅限于一些研究机构和企业之中。在比较通用的做法中，人们给各种各样的东西贴上或大或小的标签，从箱子、零件直到整栋建筑物。摄像头会捕捉到这些标签，然后计算机会去数据库中查找和标签有关的信息，最后把结果显示在屏幕上，叠加在与相应的标签对应的地方。这种做法显然限制了增强现实技术更广泛的应用——除了在偏执狂最疯狂的梦里，没有人愿意生活在一个贴满了标签的世界里。

幸好这个世界总是充满了希望。感谢摩尔定律，感谢异想天开，感谢第一个想到把摄像头和传感器装在手机上的家伙。在多种技术的协作下，增强现实的春天终于要来了。现在手机这样的手持设备，运算能力已经堪比十年前的笨重电脑，移动互联网的速度足以应付网络查询和数据传输的需要，GPS更是可以将我们的所在地精确到数十米之内。配合图像识别技术，我们的手机甚至可以认识摄像头拍摄到的外语标牌，并且翻译成我们的母语——网易有道词典刚刚推出这种功能。

关于增强现实技术的更多应用，一项还在测试中的新设备也许能让我们看到一些端倪。今年年初，麻省理工学院媒体实验室设计了一套简陋的设备，由一个摄像头、一台微型投影仪和一部能上网的智能手机组成。摄像头和投影仪被松松垮垮地捆在研究人员的头上，充当第三只眼睛。打开一本书的时候，投影仪会在书上照出投影，告诉读者这本书在网上的评价，还能给出同类的推荐书籍；当拿起一盒麦片的时候，投影仪会告诉我们这盒麦片在附近其他超市的价格，还有它的营养成分；当我们面向某人的时候，投影仪甚至可以显示对方在社交网站的主页，同时告诉我们他的姓名和爱好。而这一切的查询和数据传输，只是由口袋里那部打开了无线上网功能的手机自动完成的。

这套叫做“第六感”的设备虽然丑得让人伤心，但是功能相当强大。它现在只是一个原型，我毫不怀疑在它成熟之后，会成为革命性的产品，当然也会更好看——特别是它在宣布全部开源之后。在它还没有到来之前，我们还是忘掉困在头上的摄像头和投影仪吧。只用手机会更适合一些，比方说一部iPhone。

iPhone在手机行业的最大贡献在于它构建了一套新的共赢体系，让全球的软件开发者自由开发软件，并且可以通过这些软件来盈利。现在苹果的软件商店已经有了超过八万五千种软件，总共下载次数已经超过了二十亿次。大部分使用者在有了iPhone之后，显著减少了他们使用电脑的时间——iPhone可以部分地取代电脑的功能，那些设计精巧的小软件甚至会让人们产生新的依赖。

《新科学家》杂志的新闻副总编理查德·费舍尔（RichardFisher）几个月前写了一篇文章，探讨以iPhone为代表的智能手机和手机软件给人们生活带来的变化。他采访了几位专注于研究科技给人们带来影响的学者，他们都认为手机将会成为我们最可信赖的伙伴，成为我们生活中史无前例的重要组成部分。在某种程度上，这个结论比刘震云那个“手机就是手雷”的论断更加惊人——我们会和这种小小的电子设备建立起一种类似于共生的关系，手机会成为我们大脑的扩展，帮我们记录我们的日程、情感、欲望和记忆；而在增强现实技术的帮助下，它可能会成为我们看待世界的一种新方式，成为一只混淆了真实和虚拟，混合了原子和字节、连接了电磁波和数据流的新眼睛。

这一天可能会以一种更自然的方式到来。去年通用汽车公司开始了一项研发计划，打算在汽车风挡玻璃上安装透明显示器。汽车的驾驶员将向战斗机驾驶员一样，无需低头就能看到仪表盘；GPS的线路也不会局限于小小的屏幕，而是在风挡玻璃上向远处延伸，就像是给道路镶上了一道明亮的路标。以有机发光二极管（OLED，Organic Light EmittingDiode ）为代表的透明显示器技术正在日益成熟，它可能会被做成落地窗、电脑显示器甚至是眼镜，将我们需要的数据轻巧地浮现出来，就像我们在科幻电影中看到的那样。甚至可能以一种更加难以为人察觉的方式：日本Brother公司正在开发将图像投影到视网膜上的技术，华盛顿大学去年就已经开发出了隐形眼镜式的显示器。我们也许很快就不会察觉到真实世界和虚拟世界的界线，经过增强的现实会成为像呼吸那样自然，手机会实时将虚拟世界叠加在我们的视野中，让我们感觉不到我们所见的一切，实际上都已经经过了计算和增强。

可以想见，这样的未来到来那天，迎接它的并不只会是一片掌声。必然会有各种各样的争论，人们最担心的很可能还是那些生命力最旺盛的老调重弹：依赖于新技术会让人变笨，以及对隐私权的侵犯等等。这些争论自古已有，而且必将重演。然而，历史上的任何一种新技术，从文字、活字印刷术直到搜索引擎，都是在这样的争论中逐渐发展壮大，最终成就了我们今日的文明。人们会将技术的优势发展到极致，同时尽可能避免它的任何副作用——过去我们是这样做的，今后我们也必然会这样做。就像显微镜和望远镜延伸了我们的眼睛，飞机和汽车延伸了我们的腿，机器人延伸了我们的手一样，手机和增强现实技术将会延伸了我们的大脑，将我们和人类所共有的知识和财富紧密地连接在一起。

这应该算是一个相当光明的前景。最少，能够透过手机看到那个被增强的、更加多姿多彩的世界，对于我自己这颗和互联网比起来小得几乎可以忽略不计的脑袋来说，是非常值得期待的未来。

发于近期《经济观察报》

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乔布斯说的不无道理，而且这种情况正愈演愈烈。在广播、电视、特别是互联网的冲击下，传统的出版业越来越步履维艰。《西雅图邮报》这家百年老报在今年三月份关闭，而今年年初到现在的大半年中，美国已经关闭了一百家以上的平面媒体，甚至连著名的《奇幻与科幻杂志》也不得不由月刊改为双月刊。这可是恐怖小说大师斯蒂芬•金口中的“刊登美国最好看的短篇小说的杂志之一”啊。

虽然如此，但是当年的贝佐斯还是不愿意放弃kindle。他对乔布斯说，“你瞄准的是5%的个人电脑用户，而我瞄准的是5%愿意阅读的用户。”

之后发生的事情大家都知道了。挂在亚马逊网站首页最显眼位置的Kindle大获成功，一年半时间就推出三个版本，更大、使用更舒适，以及能存放更多的书。现在在去亚马逊买书的读者会发现，一些书推出了9.99美金的电子版本，可以直接下载到自己的Kindle里面阅读。这和那些动辄一百多块的书比起来，无疑更有吸引力。这种电子阅读手段的出现，开始改变过去数百年来的出版产业的模式，让书籍的成本几乎只剩下了支付给作者的版税和发行、保管、运输书籍的费用 ——而在字节化的信息时代，后几项费用几乎为零。在人类历史上第一次，书籍成为了“按需生产”的产品。

这是一次关于显示技术的、悄然发生，却终将席卷世界的变革。它的起源，只在于那块改变人们阅读方式的薄薄显示器。这是一类叫做电子纸显示（EPD，Electronic Paper Display）的新兴技术；在Kindle这种产品上，它被叫做E Ink。

电子墨水

E Ink是E Ink公司的注册商标。这家公司在1997年成立，创始人是麻省理工学院媒体实验室的教授约瑟夫·雅各布森（Joseph Jacobson），其它股东包括了英特尔、飞利浦、摩托罗拉等大厂。E Ink公司是最早将电子纸显示技术推向市场的公司，其技术原理是另一个EPD：电泳显示（EPD，Electrophoretic Display）。

电泳显示并不是E Ink的首创技术。早在20世纪70年代，施乐公司著名的帕洛阿尔托研究中心（PARC，Palo Alto Research Center）的研究员尼古拉斯·K·谢尔敦（Nicholas K. Sheridon）就提出了这一设想。他设计了一种叫做“Gyricon”的显示设备：将大量小球塞进两层薄板中间，其中的底板上分成许多小块，每个小块都可以单独供电。薄板之间的间隙充满比重与小球一样的油。每个小球的两个半球都分别涂上不同的颜色，而且根据颜色的不同，一半带正电，另一半带负电。这样，当给底板上指定区域加电时，相应区域的小球将会旋转，排列出图像或者文字，就像是马赛克拼出图形一样。

这项发明申请了专利，但是被施乐公司的高层取消了。这项短视的决策让电子纸的诞生晚了二十五年，直到上世纪九十年代后期才真正面世。麻省理工学院的媒体实验室开发的新型电子墨水显示原理和Gyricon一脉相承，但是又克服了Gyricon的一些缺陷：它使用微型的、充满油的透明胶囊取代Gyricon的小球，同样把小球夹在两层薄板之间。小球里装了一些更细小的带电微粒，其中一些是黑色，另一些是白色。两种微粒所带的电荷不同，当给背部的薄板加电时，面板上就可以看到相应的图形。这项技术当然也被申请了专利，这就是E Ink。

E Ink可以显示多级灰度，可以制造成任何尺寸的面板，这些都是Gyricon所不能做到的。而Gyricon的优点，例如断电后依然可以保持图案不会消失、省电、可视范围广、对比度高等等，都被E Ink完美地继承了下来。在E Ink公司的不懈推广下，使用E Ink技术的显示装置，终于出现在市场上。

然而E Ink的推广之路走得并不很顺利。当MP3音乐和播放器的大潮漫过全球的时候，使用E Ink的电子书阅读器却少有人问津。当然，书籍和音乐并不一样——虽然音乐也同样经过从模拟到数字的转变，但是人们似乎对这种转变安之若素。人们并没有过多地怀念磁带式随身听，就转而非常容易地接受了CD和MP3。从MP3播放器诞生的1998年到现在，世界上一共卖出了超过5亿部MP3播放器，就是一个明证。

这也许是因为，人们固执地迷恋着阅读纸质书籍时的舒适体验，喜欢纸张的质感、新书的油墨味道、翻页时的沙沙声，还有旧书上颜色各异的批注。在传统的显示器上读书，无论是笨重的阴极射线管显示器还是轻薄的液晶显示器，都会让人无端地心浮气躁起来。这些代表着信息时代技术的科技产品，像是这个时代的缩影：理性、急迫且冷冰冰；它们和纸质书籍的柔软沉静踏实相比，显得面目可憎。正如杰夫·贝佐斯所说：“书籍是模拟技术的最后堡垒。”

贝佐斯打算借助亚马逊强大的访问量和图书存量攻破这个堡垒。Kindle改善了设计，加上E Ink的天然优点，让阅读电子书变成了一件方便且愉快的体验。再加上从来没有过的、拥有数百万种书籍的选择，亚马逊让Kindle成了有实力取代纸质书籍的革命性产品。当然，如果价格再低一些，这场革命也许会来得更快一点。

但是，要想让E Ink降价是很困难的。做为拥有这项专利的唯一企业，E Ink公司今年已经被中国台湾地区的元太科技收购，后者曾经是E Ink面板的生产商。现在全球大多数生产电子书阅读器的厂商都在依赖元太科技：它的客户名单上除了亚马逊之外，还包括飞利浦、索尼、翰林、汉王、福昕等等我们耳熟能详的电子书阅读器企业。

专利权像是一道电网，拦住了其他厂商试图生产类似产品的努力。但是面对正在扩张的这块电子书大蛋糕，不少企业都开始各显神通，想尽办法要分一杯羹。各种新的电子纸显示技术纷纷出现，迎来了春天。

那些挑战者们

E Ink的最大缺点在于，它只能显示黑白文字和图像。虽然元太科技正在努力升级E Ink的灰度，从四阶到八阶再到十六阶，但是显示彩色图像目前还是在实验室中研发的目标。除此之外，E Ink变换图像的速度太慢，这让其不能够播放视频；而它省电的巨大优点，随着电池技术的发展，也许将会变成一个并不很重要的特征。而且，E Ink不能自身发光，在弱光下很难看清。如果额外加装照明设备，又会导致成本和耗电量的增加。虽然E Ink够好，但是它并不够完美。

那些打算避开E Ink专利的厂商，正在研发完美的电子书显示设备。IBM、西门子、LG、飞利浦、索尼、富士通、三星、友达光电、甚至过去专注于制造轮胎的普利司通都开始进入这一代表未来趋势的产业当中，而且已经开始纷纷推出自己的相关产品。就目前来看，技术比较成熟的有两种：胆甾液晶显示（ChLCD，Cholesteric Liquid Crystals Display）和有机发光二极管（OLED，Organic Light Emitting Diode）。

液晶是一种特殊的材料，它像是液体，可以流动，但是光学特性却和晶体相似，在不同的方向上有不同的透光性。这种现象早在1888年就被发现，但是直到二十世纪六十年代末，液晶材料才被用于显示。现在，液晶显示器早已到处都是，大有取代传统阴极射线管显示器的势头。胆甾液晶材料是三大类液晶材料之一，它的分子呈扁平层状结构，而层与层之间的重叠又是螺旋状结构。这种特征让它也被称为螺旋液晶分子。和其他液晶显示不同的是，胆甾液晶显示类似E Ink，具有双稳态的特点。也就是说，当停止供电后，它会保持供电时的状态——其上显示的内容可以保持较长的时间。

胆甾液晶显示技术的基本专利由美国肯特显示（Kent Display）公司持有，目前市场上已经有了产品：今年三月份，富士通（Fujitsu）公司终于公布了研发多年的电子书阅读器FLEPia，使用的就是这项技术。和使用E Ink技术的阅读器相比，FLEPia最吸引人的是26万色显示功能，但是随之而来的还有只有不到50小时的使用时间和相当高昂的价格——售价一千美元以上，足以吓退不少读者。但是这似乎并不足以阻挡富士通的决心，他们最近要在台湾与一家当地企业一起建造一家工厂，专门生产FLEPia和其他的胆甾液晶电子书阅读器。也许过不了多久，这种彩色阅读器的价格就可以降得更有竞争力一些。

和胆甾液晶显示相比，有机发光二极管的先天优势更强一些。有机发光二极管的结构像个汉堡包，最上面和最下面的两层是电极，中间夹着发光材料。当通电时，电子从高能级迁跃至低能级所释放的能量将会以可见光的形式传递出来。并且因为材质的不同，产生出红、绿和蓝的显示器三原色，组合成各种不同色彩。这种技术是由柯达公司首先申请的专利，起因很有趣：1979年，柯达的研究人员夜里回实验室的时候，发现一块有机蓄电池在闪闪发光。这个偶然的发现促成了八年后有机发光二极管器件的诞生，低电压、高效率、高对比度、高亮度、自发光、重量轻、厚度小、像素颗粒小、响应速度快、可弯折、甚至可以做成透明——这一连串的优点让有机发光二极管看起来像是终结其他显示器的杀手级产品，单是想一想都会让人激动万分。

只有一个小问题——有机发光二极管的技术还不成熟，不足以应用在电子书阅读器这样大的显示设备上。现在有些手机这样的小型的随身电子设备已经开始使用有机发光二极管显示面板，但是更大型的面板，还没有上市的产品。在从小屏幕前进到大屏幕的道路上，有机发光二极管的危机重重：面板的隔绝问题难以解决、电流控制难度大、使用寿命并不尽如人意。

即使如此，有机发光二极管依然是明天的显示之星。也许我们会很快看到使用这种技术的电子书阅读器，它的颜色亮丽，反应迅速，无需其他光源，还可以卷起来。简直是哈利波特世界里的魔法产物。

关于现在，关于未来

科幻大师阿瑟·克拉克爵士说：“任何足够先进的技术，初看都与魔法无异。”的确如此。我们今天想象不到的技术和产品，正在某处的实验室里缓缓成型，期待着出现在我们面前的时候，让我们惊艳。

索尼公司的研究人员把一种白色胶体夹在两层薄板中，加电时，相应位置会析出银原子呈现出黑色，掉电时又会重新变白；船井电机新应用技术研究所去年宣布开发出了电致变色显示（ECD，Electrochromic Display）设备，使用电压变化来控制染料溶液显色与否；普利司通和千叶大学合作开发出了使用固体粉末的电泳显示电子纸；飞利浦以色列分公司开发出可编织的电致发光材料；辛辛那提大学和SUN化学公司今年开发出使用疏水性表面和微型燃料胶囊制造的彩色电子纸……电子纸显示技术的大家族里，从来没有过这么多成员。

电子纸超脱了传统“纸”的内涵，也同样跳出了我们概念中的纸张使用范畴。电子纸技术可能成就新一代的电脑、电视，取代广告牌、路标、信息板，替换风挡玻璃和落地窗，以及出现在任何需要显示的地方，甚至是衣服或者眼镜上。它带来的革命不仅仅在传统出版行业，它可以无处不在。

想象一下这样一个绚丽多彩而又变化多端的世界吧，它就是我们的未来。

发表于《牛顿·科学世界》，谢绝商业性转载。

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这不是历史上第一部描写机器人的科幻作品——早在《列子·汤问篇》中，就有了”偃师造人”的记载——但是给我留下的印象却很深。这篇小说中的机器螃蟹是一种能够自我繁殖、能够进化的机器，它和生物之间的界限似乎开始变得模糊了。到了今天，这不仅仅再是一个幻想，我们已经能够看到一些希望。

救星

克劳斯· 拉克纳尔（Klaus Lackner）是哥伦比亚大学地球工程中心的教授，今年56岁了。在16年前，他还在洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）工作。那时他和他的朋友，威斯康星大学的粒子物理学家克里斯托弗·文特（Christopher Wendt），正在喝啤酒聊天。一个念头突然冒了出来：“怎样解决全球变暖问题？”

他们都知道，这不是一件小事。他们打算把空气中的二氧化碳转变成碳酸钙——石灰石、汉白玉、白垩，都是这种东西。从空气中提取二氧化碳然后变成固体的工作量和所需要的资源都是惊人的，不能指望有人投资或者国家拨款，所以他们只好转而寻求其他办法。

例如……一个全自动的转化过程。假设一台机器。它能够复制自身。它可以把太阳能转化为所需的电能。它可以很容易地获得制造它的原料。这样如何？

听起来很不错。机器数量将会以倍数递增，一台变成两台，两台变成四台，然后是八台、十六台。这像是一个细胞一样不停地分裂，而无穷无尽的太阳能将会让它们不停地繁殖下去，直到被制止为止。

太阳能不是问题，而一台机器所需要的原料无非是铁、铜、铝、硅、碳这样的常见元素罢了，这些东西遍地都是，只要提取出来就行。只有一个问题：怎样让机器自我复制？

这个问题曾经难倒过笛卡尔，不过我们现在已经有了答案。在20世纪40年代晚期，冯·诺依曼（又是他！）已经初步解决了这一问题。当时他在加利福尼亚州帕赛迪纳的海克森研讨班上做了一系列演讲，要解决的核心问题就是“机器要怎样才可以自我复制？”

冯·诺依曼认为，任何能够自我繁殖的系统，都应该同时具有两个基本功能。第一，它必须能够构建某一个组成元素和结构与自己一致的下一代；第二，它需要能够把对自身的描述传递给下一代。他把这两个部分分别叫做“通用构造器”和“描述器”，而描述器又包括了一个“通用机器”和保存在通用机器能够读取的介质上的描述信息。

这样，只要有合适的原料，通用构造器就可以根据描述器的指示，生产出下一台机器，并且把描述的信息也传递给这台新机器。随后，新机器启动，再进入下一个循环。

这种思路被几年后的一项惊人发现所验证。1953年，沃森和克里克发现DNA完全具备冯·诺依曼所提出的两个要求。而现在，我们虽然还没有设计出能够真正完全复制的机器，但是使用冯·诺依曼的思路的自我复制产品的确已经存在——电脑病毒就是其中最广为人知的一种。

克劳斯·拉克纳尔和克里斯托弗·文特打算按照冯·诺依曼的思路开展他们的工作。他们给这个项目起名叫奥克松斯（Auxons），这是从希腊语的“auxein”借过来的，意思是“成长”。他们给最初的原型机安装了高温熔炉用来获取需要的金属原料，并且打算把它扔到沙漠里面去。在那里，奥克松斯可以获得大量的原料和能量，并且不会有人来打扰。虽然没有看到概念图，但是在我的想法中，奥克松斯看起来应该跟Wall·E差不多……

然而，就现在而言，奥克松斯看起来还是有点过于精密了。它相当于将一条现代化的生产线全塞到一个小箱子里面去，用目前的技术水平来实现它，还是有些难度。不过它的创造者们还是信心十足，希望能够很快看到这种机器投入使用。想想它可能的用处吧：生产足够整个世界使用的电能、改善全球气候、甚至是改变大片区域的地貌，这些对于数亿个太阳能机器来说，完全不在话下。

这个项目并没有赢得所有人的叫好声。有人担心这种机器将会破坏沙漠地区的生态平衡，从而导致不可预测的结果。毕竟我们对于我们生活的这个星球了解得远远不够。结果会怎么样，现在还很难说。

《探索》杂志在1995年将奥克松斯评选为“能够改变世界的七个主意”之一。的确如此。无论是更好还是更坏，但是源源不断复制的机器，必将改变世界。

虚拟、现实和机器人

捷克作家卡雷尔·恰佩克在1920年写过一部科幻三幕剧，叫做《罗素姆万能机器人》。这是人们首次听到”robot”这个词。近90年过去了，机器人及其相关产品早已发展成一个庞大的产业。微软公司前董事长比尔·盖茨在2006年12月的《科学美国人》上撰文，声称机器人将会变成另一个像个人电脑一样普及的科技产品。

虽然比尔·盖茨做出了不少错误的预言，但是这次看起来还是比较靠谱的。家用卫生机器人已经不是什么稀罕东西了，最近还有一些企业推出了机器人厨师。小朋友们抱着会撒娇的机器恐龙，科技馆门口站着机器迎宾小姐。甚至还有人信誓旦旦地认定，到了2050年，和机器人结婚都不在话下。

实际上，能够繁殖的机器并不少见——比方说我们的工业流水线。在你看到这里的那一瞬间，世界上有大量我们看不见的机器人正在厂房里忙碌。日本是世界上工业机器人最多的国家，世界上一半的工业机器人都在日本。那些机器人和我们在卡通片中看到的不太一样——看起来只是一支机械手臂，没有表情丰富的脸和健美好看的身段。这些机器人日复一日地在生产线上焊接组装手机、电脑、以及……更多的机器人——但是同样没有自我意识。这种机器人看起来要安全得多。也许很快，我们在家里也可以这么做了。

2008年7月，在切尔滕纳姆科学节（Cheltenham Science Festival）上，英国巴斯大学的艾德里安·鲍耶（Adrian Bowyer）和新西兰科学家维克·奥利弗（Vik Oliver）公布了一个叫做“RepRap”的机器人。这台方方正正的机器看起来像一个鞋架，完全看不出我们梦想的那种机器人的影子。不过，它可以自我繁殖——虽然并不完全。

RepRap可以通过电脑的指令来制造实体的零件，然后由操作者手工装配。实际上，它的核心部件就是一个三维打印喷头，使用融化的塑料来制造零件，或者使用融化的低熔点合金来打印电路。因为并非所有的部件都可以用塑料或者这种合金来制作的，因此一些零件不得不采用其他材质。这距离我们想象的那种自我复制机器人似乎有点远。

实际上，它所使用的三维打印机并不是什么新东西。三维打印机的原理和传统喷墨打印机很像，只不过它的喷头能够在水平和垂直两个方向上移动，从而塑造出三维的形象。现在已经有了一些成熟的产品，但是价格却一直高高在上。在这方面，RepRap有优势得多。

这是由它的设计目的而决定的。RepRap是为了改善那些落后国家和地区的现状而设计的，鲍耶希望这种产品的大规模应用能够为落后国家提供一些制造业的就业机会。只需要一个RepRap和足够多的标准零件，你就可以拥有无数个。然后，你就有了一条自己的生产线。

这个项目是完全开放和免费的。任何人都可以下载相关的使用说明书，使用它制造出来的产品也不需要支付任何版税。也许过不了多久，我们就可以自己在家里生产衣架和拖鞋这种小件产品，还可以多制造几个RepRap送给其他人。

或者还有另外一种可能。2005年5月11日，康奈尔大学的科学家们展示了几块方块。这些方块每个都是10厘米见方，外表看起来一模一样。把四个方块摞在一起，它就变成了一个非常简单的机器人。它会寻找附近的方块，然后拼成一个和它一模一样的家伙。他的设计者介绍说，每一个方块中都有一块芯片，里面存储着拼装的指令，并且通过控制方块表面的电磁铁来完成各种动作。

这种机器人的前景很不错。我们可以想象由数十个或者数百个这种基本单位组成的机器人，当其中的某个单位坏掉的时候，可以很容易地替换。只要生产过程足够简单，这种机器人的成本会很低，而用途几乎是无穷无尽的。也许有一天，这种机器人会自己生产基本单位，然后一切都不用我们操心了。

微宇宙的上帝

想象一个很小的东西。大概有一根头发直径的7万分之一那么小。对了，那就是1纳米。1纳米是1米的10亿分之一，大概只有原子直径的10倍。在几十个到几百个纳米尺度上，人们打算制造些东西。这就是纳米技术。

1959年，诺贝尔奖获得者、物理学家费曼（《别闹了，费曼先生！》那本书说的就是这位很好玩的物理学家），曾经做过一次名为“在物质底层有大量空间”的演讲。他预言，人类将可以把分子甚至原子做为基础原料，在最微观的空间构建物质。例如，我们可以把碳原子一个一个排列成钻石。毕竟世界是由原子构成的。在理论上，纳米机器可以构建所有的物体。

费曼的预言很快成真了。1991年，IBM公司的一个研发小组在一块镍板上，通过扫描隧道显微镜用35个氙原子拼出了“IBM”的字样。随后，工程师们又制造出了几个纳米大小的齿轮、剪刀、螺旋桨这类东西，但是却一直没有找到好的马达来驱动它们。

如果打算在这样小的尺度上制造机器，工程师就需要向生物学家取经了。生物学家在这方面有所突破，他们发现生物体内存在着天然的分子马达，生物体的一切定向运动都与它有关。而不同类别的分子马达也有不同之处，有的用两条“腿”迈步前进，有的还分成了“定子”和“转子”。有了这些东西，那些纳米级的零件就可以被驱动了。

对分子马达的控制现在已经有了一些进展，用分子马达驱动纳米级别的机器很快就会成为现实。但是以现在的技术水平，生产这样的机器成本实在太高，最好的办法还是采用自我复制的方式。

纳米机器人的复制会容易一些。它们可以直接抓取合适的分子甚至是原子来构建一个新的自己，或者干脆利用DNA的自我复制的特性，从一个很快变成数十亿个。无论是速度还是成本，都是其他制造工艺望尘莫及的。这些小家伙可以在人体内工作，通过杀灭病毒、病菌来治疗疾病、通过提高供氧量来改善体质，甚至延缓衰老治疗癌症，这些都可能实现。想想看那部《垂暮之战》吧。

不过就现阶段而言，这种机器还不能指望很快出现。虽然最近这样的研究成果已经出现在学术期刊和科学杂志上，但是距离真正的应用，还有不小的距离。

上图并不是真的……只是创意图

被毁灭的人

伴随着新技术而来的，往往不仅仅是赞叹。可以自我复制的机器可以带来前所未有的方便，但是它可能存在的问题也是显而易见的：如果自我复制失控了呢？

2004年，有一本叫做《运动学的自我复制机器》（Kinematic Self-Replicating Machines）的书出版了。那本书的封面上是一片草原，上面挤满了兔子。这个封面像是一个警告，在提醒我们无限繁殖会导致什么样的可怕状况。

机器和兔子不同。兔子需要食物，需要排泄，需要自己的领地。当繁衍太多时，会因为生态的崩溃而大批死亡，最后重新恢复平衡。而机器不需要，当它的繁殖失去控制时，我们只能眼睁睁地看着它们吞噬所及的一切，而且每个周期都会增加一倍的数量。

对自我复制机器的担心由来已久，甚至出现了了一个专有名词“灰雾”（Gary Goo），专门用来描述世界被不停复制的纳米机器吞噬的场景。1986年，埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）的《造物引擎》（Engines of Creation）一书中首先提出了这个名词，这种情形想来非常可怕，但是实际上并不太可能发生。

正如我们在每一台机器上面都安装了一个开关一样，任何一台能够复制的机器必然也有一个停止复制的控制机制。在我们体内，正常的细胞每分裂一次，线粒体的端粒就会缩短一次，当断于临界长度时，细胞就不再分裂，而会衰老死亡。计算机软件中往往也有这样的计数器程序，特别是在一些试用版软件中。同样的，对于自我复制的机器，也可以采用类似的技术来防止其无限制地复制下去。

但是，万一这种机制失效呢？万一某个头发蓬乱穿着白大褂或者梳着油光水滑发型穿着昂贵三件套西装的家伙故意释放了这种无限繁殖的机器呢？万一机器在某天突然拥有自我意识（就我个人而言，完全不怀疑这一天的到来），变成了天网，甚或将我们的世界变成了The Matrix呢？这些依然是未知数。我们只能寄希望于科学家们的才智，姑且认为每当这个世界面临崩溃的边缘的时候，他们有能力将这个世界重新拉回正轨。

科学家们并没有去回避危险，是因为他们相信能够控制他们的造物。说起来，人类的整个发展史，不也是走过了一条类似的道路吗？

本文发表于《科幻世界》2009年02期，经松鼠会审稿人robot审稿，依审稿意见有所改动。

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在2008年8月的英特尔开发者论坛（IDF，Intel Developer Forum）上，西雅图实验室的约书亚·史密斯（Joshua R. Smith）领导的研究小组向公众展示了一项新技术——基于“磁耦合共振”原理的无线供电，在展示中成功地点亮了一个一米开外的60瓦灯泡，而在电源和灯泡之间没有使用任何电线。他们声称，在这个系统中无线电力的传输效率达到了75%。

大刘在《三体II·黑暗森林》中描绘了一个两百年后的世界。因为人们掌握了可控核聚变技术，可以提供极大丰富的能源，无线供电的损失在可接受范围之内，所以大部分电器都可以采用无线方式来供电，从电热杯一直到个人飞行器都是如此。电像空气一样无处不在，人类再也不用受电线的拖累了。

正如书中所提到的那样，无线供电技术现在也已经出现了。实际上，近距离的无线供电技术早在一百多年前就已经出现，而我们现在生活中的很多小东西，都已经在使用无线供电。也许不远的未来，我们还会看到远距离和室内距离的无线供电产品，而不会看到电线杆和高压线，“插头”也将会变成一个历史名词。

好兆头

英特尔的这种无线供电技术，是基于麻省理工大学的一项研究成果而开发的。

2007年6月，麻省理工大学的物理学助理教授马林·索尔贾希克（Marin Soljacic）和他的研究团队公开做了一个演示。他们给一个直径60厘米的线圈通电，6英尺（约1.9米）之外连接在另一个线圈上的60瓦灯泡被点亮了。这种马林称之为“WiTricity”技术的原理是“磁耦合共振”，而他本人也因为这一发明获得了麦克阿瑟基金会2008年的天才奖。

新技术所消耗的电能只有传统电磁感应供电技术的百万分之一，不由让人们对室内距离的无线供电重新燃起了希望。而它的关键在于“共振”。

科学家们早就发现，共振是一种非常高效的传输能量方式。我们都听过诸如共振引起的铁桥坍塌、雪崩或者高音歌唱家震碎玻璃杯的故事。无论这些故事可信度如何，但它们的基本原理是正确的：两个振动频率相同的物体之间可以高效传输能量，而对不同振动频率的物体几乎没有影响。在马林的这种新技术中，将发送端和接收端的线圈调校成了一个磁共振系统，当发送端产生的振荡磁场频率和接收端的固有频率相同时，接收端就产生共振，从而实现了能量的传输。根据共振的特性，能量传输都是在这样一个共振系统内部进行，对这个共振系统之外的物体不会产生什么影响。这就像是几个厚度不同的玻璃杯不会因为同一频率的声音而同时炸碎一样。

最妙的就是这一点了。当发射端通电时，它并不会向外发射电磁波，而只是在周围形成一个非辐射的磁场。这个磁场用来和接收端联络，激发接收端的共振，从而以很小的消耗为代价来传输能量。在这项技术中，磁场的强度将不过和地球磁场强度相似，人们不用担心这种技术会对自己的身体和其他设备产生不良影响。

在2007年马林演示他的成果的时候，这项技术能够达到40%左右的效率。这在某些场合是可以接受的，但是人们还想更进一步。刚才我们提到的英特尔公司研究员们已经把传输效率提升到了75%，而马林小组最近声称，他们做到了90%。这意味着，一年之间提高到原来的两倍以上！

虽然成效惊人，但改进空间也依然很大。下一步，有望在提高传输效率的同时缩小发射端和接收端的体积，最终实现用电设备内置接收端的目标。

想象一下， 这会对生活带来什么样的影响？我们可以完全从需要的角度出发来摆放家用电器，不用再考虑附近是否有插座；我们在装修房间的时候不用再考虑如何布设电线，笔记本电脑和手机这样的小件电子设备永远显示电池充满，清扫机器人在房间里跑来跑去，不用过一会就去找地方充电……这一天也许很快就会来到。市场上已经有了一些采用这种技术的原型产品，广泛使用也只是时间问题罢了。

第二基地

尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）的梦想——使用电磁波来远距离供电——也许很快就会变成现实。早在1890年，这位现代交流电系统的奠基者就开始构想无线供电方法，最后提出了一个非常宏大的方案——把地球作为内导体、距离地面约60千米的电离层作为外导体，在地球与电离层之间建立起大约8Hz的低频共振，再利用环绕地球的表面电磁波来远距离传输电力。他想像广播一样，将电能传遍全球。为此，在J. P. 摩根的资助下，他在纽约长岛建立了57米高的瓦登克里夫塔（Wardenclyffe Tower）来实现这一构想，但最终被迫放弃。虽然我们现在可以从理论上证明特斯拉的方案的确可行，但是出于世界上各个国家的区隔，这种“天下大同”在短时间内恐怕不会成为现实。

不过另一种远程无线供电方案可能会更容易实现一点。

加拿大科学家正计划制造一架无人飞机，飞行高度33千米，可以在空中连续飞行几个月。这可能是世界上第一架可以真正投入使用的远程供电飞机，本身不携带燃料，而是从地面的微波站中获取能量。

微波是指那些频率在300MHz到300KMHz之间的电磁波，它的波长在1米到1毫米之间。因为电磁波的频率越高，能量就越集中，方向性也越强，所以人们认为，使用微波来无线传递能量可能是最好的选择。更何况，微波可以通过硅整流二极管天线转换成电能，转化效率可以高达95%以上——这样高的转化率已经可以让人满意了。

在这架无人机起飞之后，地面的高功率发射机通过天线将发射机所产生的微波能量汇聚成能量集中的窄波束，然后将其射向高空飞行的微波飞机。微波飞机通过微波接收天线接收能量，转换成直流电，再由直流电动机带动飞机的螺旋桨旋转。因为无需携带燃料和发动机，这种飞机的有效载荷将会大大提升。

其实早在1968年，美国航天工程师彼得·格拉泽(Peter Glaser)就已经更进一步，提出了空间太阳能发电(SSP，Space Solar Power)的概念。他设想在大气层外通过卫星收集太阳能发电，然后通过微波将能量无线传输回地面，并且重新转化成电能供人使用。这一设想，不是在仅数十千米的距离上用微波传递能量，而是要把能量在三万多千米之外，从太空精确地射向地面接收站。

想象一个地球同步卫星。它停留在赤道上空36，000千米的高度，太阳能电池阵列始终对太阳定向，微波发射天线则瞄准地面的接收天线。这儿，不存在在地面接收太阳能所必然面临的照射时间、气候、重力等问题，每年有277天可以全天接受日照，而被地球遮挡时，最长停电时间也不过75分钟。它每年有99%以上的时间把源源不断的太阳光能转化为电能，效率将比地面上同样规模的太阳能电站高出十倍左右。

1977~1980年，美国宇航局和能源部共同出资，对空间太阳能发电的问题进行了概念研究，得出结论：这种方式不存在不可克服的技术困难。但是后来这个计划一度被锁进保险柜，原因在于耗资惊人。目前把物品送上太空还是很花钱的，要在太空中组装一颗收集太阳能来发电的卫星，成本令人难以接受。

不过，随着地球上不可再生资源的逐渐消耗，这个计划又被摆上了桌面。现在有几个能源消耗大国和能源匮乏的国家正在论证这种方案的可行性，并且开始了小规模实验，来验证在大气内进行微波能量传递以及从太空向地面发射微波束的实际效果，而目前比较乐观的估计是，2010～2020年太阳能发电卫星就可以进入实用阶段了。

亲爱的，你需要电？

感谢迈克尔·法拉第（Michael Faraday），这个英国人在1831年发现的电磁感应，带领我们进入了电气时代。到了今天，谁不需要电？

法拉第的发现，也促进了近距离无线供电技术的发展。最早的工业化近距离无线供电技术早在1885年就已经被实际应用了：随便拆开一个家用变压器，我们就会看到变压器里会有两组导线缠在一个铁芯框架上，但它们彼此并没有直接相连。

不仅如此。公共交通卡、一些学校的饭卡，还有二代身份证，这些也都需要电。在这些卡证中都有一块小小芯片，里面最少存储着一个唯一的编号。这一小块芯片就像是我们的一条内存或者一块硬盘，没有电的时候，它和一粒沙子没什么区别。即使储存了很多信息，也没有办法传递出来。

这种卡证的供电原理与变压器的原理类似。读卡机周围会形成一个快速变化的磁场，芯片进入这个磁场时，周围的线圈内就会产生感应电压，激活芯片，并且把自己的编号通过线圈发射出去被读卡机接收。读卡机会根据编号的不同而做出不同的反应，例如告诉你现在饭卡账户里还剩多少钱。

通过电磁感应来进行无线供电是非常成熟的技术，但会受到很多限制。最主要的问题是，低频磁场会随着距离的增加而快速衰减。如果要增加供电距离，只能加大磁场的强度。然而，磁场强度太大一方面会增加电能的消耗，另一方面可能会导致附近使用磁信号来记录信息的设备失效。我们都不想自己的硬盘里面的数据被强磁场一笔勾销吧。

所以这种方式往往会应用在一些防水要求比较高的小家电上，例如某些电动牙刷和电动刮胡刀等。人们也在尝试用电磁感应为手机这样的小型设备充电。从2005年开始，市场上就已经有了一些无线充电器，但使用起来并不能算是很方便，充其量也只是减少了我们把手机插上变压器的麻烦而已。有了室内距离的无线供电设备，谁还需要这种东西呢？

这是多么美好的一天

我们经常会使用和风筝相关的比喻。风筝飞得再高，也总会有一根线握在手里。断线的风筝也许会一时飞得更高，但最后一定会坠落地面。

也许以后会改用遥控航模的比喻吧——没有线，却依然尽在掌握。

当可以在远距离、中等距离和近距离都广泛实现无线供电的时候，人类目前最常用的能量将会变得像空气一样随处可得。无需再抱怨没有合适的充电器，不用再为电子设备准备厚重的电池以尽量延长它们的待机时间。我们可以把手持设备做得更小更薄，甚至可以容易地植入体内。在那时候，生活又是何等一幅模样？

没有人知道。当终于可以解开电线的束缚时，我们会飞得更高，走得更远，远到超出想象。

正如每天呼吸空气而不自觉一样，我们终会把无处不在的无线电力当作一件自然而然的事情，却忘了仅仅在200年前，祖辈们还仅仅把电当成一种用来博人一笑的小小魔术。

也许有一天，我们会对我们的下一代谈起我们年轻的时候。讲述中极尽描述从线缆束缚的无奈走到无线的自由这一过程。会回味那些有电线的日子，不可避免地谈及那些因电线接头松动让所有工作成果化为一缕青烟的小插曲。会怀念电池的质感，会怀念在抽屉里缠成一团的充电器的沉稳踏实。也许还会一遍遍提起法拉第、麦克斯韦，以及特斯拉这些名字。我们会像小时候的老师那样，循循善诱地提问：“那么，电是从哪里来的呢？”

也许，坐在对面的小孩，会像《三体II·黑暗森林》中那个两百年后的漂亮女护士一样，不以为然地说：“电？到处都有电啊。”

为了这样轻率的答案而微笑吧，欣慰的是，他们，终于拥有了一个比我们更加宽广更加自如的世界。

文字编辑：小庄

本文原发表于《科幻世界》2008年12月号，谢绝平媒与商业性网站转载。非商业性媒体转载请注明来源于科学松鼠会。

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“这张铜网，不知道是谁以前留在这个实验室里面的，”潘钦敏把一张剪过几个缺口的、皱皱巴巴的细铜网递过来，有点不好意思地笑着，“这就是我的实验材料。”

在3月16号出版的《美国化学会应用材料与界面》月刊上，一张来自这个实验室的铜网占了个很不错的位置。在照片上，黑黝黝的铜网制成的小船，承载了超出理论值一倍半的重量，却依然浮在水上。每个星期，美国化学会都会从34种著名期刊中选择四篇有突破性进展的论文，写成简短的科学新闻向公众发布，在这期的新闻中，这艘来自中国的小船就占了一席。这种材料制造成本低、容易获得而且具备超级浮力，所以可能会用在工业、军事领域，也会有助于开发出微型水上机器人。

论文作者、哈尔滨工业大学化工学院的潘钦敏博士继续向我介绍道：“铜网船表面是超疏水的，具有‘疏而不漏’的特点。像那些在水面跑来跑去的水蜘蛛的腿一样。”

也像荷叶一样。荷叶从不沾水，这种特性一直让人们着迷并渴望知道究竟，后来终于发现是它的表面微观结构所致——荷叶在放大一万倍以上的电子显微镜下看起来依然是毛茸茸的，稻叶和水黾的腿也有此特性。研究者们将其称为微/纳米结构，因为如果要测量这些看起来像绒毛一样的小东西，所用的长度单位往往是百万分之一米甚至十亿分之一米——作为对比，头发的平均直径是万分之七米。

潘钦敏博士还拿头发做了另一个比喻：“我们洗头发的时候，把头扎到水里去，也不是一下子就湿透的。”他做了一个扎猛子的动作。

超疏水表面就布满了这样微小的“绒毛”。这些细微结构之间储存了空气，在接触到水的时候，就会表现出截然不同的性质。从通用电气公司纳米实验室录制的一段视频上可以看到，水滴掉落在超疏水的表面时，居然会像软橡胶球一样弹跳起来。

“超疏水表面和不粘锅用的疏水材料不一样。”潘钦敏说，“超疏水表面需要特殊的细微结构。”

“跨界”的研究者

潘钦敏在2002年获得中国科学院化学研究所博士学位，导师是鼎鼎大名的方世璧研究员；然后到加拿大蒙特利尔大学从事博士后研究，回国后研究的依然是博士时的领域：锂电池材料。 “对于锂电池，如果要继续提升它的性能，不可避免地需要涉及到微观结构问题。”所以，读博士期间，潘钦敏就开始从事关于电池负极材料的微观结构的研究，所发表的学术论文也集中在这一方面。2002年他申请了一项专利，使用这种专利技术处理的碳负极材料，能够让锂电池的容量和循环寿命提高10%以上。

2005年归国之际，他打算开拓超疏水表面这样一个新的研究领域。“看起来有点奇怪，这两个研究领域相差这么远。不过本质上有些相通——都是主要使用化学方法来进行处理，以形成微米、纳米级的结构嘛。而且这项研究所需要的资源并不那么多。”他说着，旁边的博士生王洪波略微点了点头。

在哈尔滨工业大学海外引进人才科研启动经费的支持下，研究工作很快就开展起来了。2006年9月以哈工大名义申请的一项关于在铜片上构造超疏水表面的专利，王洪波是主要执笔人。他是潘钦敏在超疏水表面领域研究团队的成员。一个周末，我去他们实验室，正看到他在电脑前忙活。

“还有王敏，他已经毕业了。”王敏是《应用材料与界面》上那篇论文的第二作者，论文收稿时还是在读硕士生。“现在我在超疏水表面的研究团队只有三个人。锂电池这边多一些，有五六个人。”潘钦敏笑着说，摸了摸后脑勺。“所以工作有些忙。”

说“有些忙“还是有点太轻松了，周末泡实验室已成为家常便饭。他的另一个主要研究领域是大功率锂电池，电动汽车上那种。这个领域非常诱人，但学术同行们之间的竞争也异常激烈。

但这个正在做着热门研究的实验室并不大，靠墙有两排实验台，其中一排摆着些时不时闪亮几个灯的测试仪器，另一排上则是很常见的化学试剂和容器，烧杯滴管一应俱全。如果不是一台精心保养的精密电子天平，看着更像中学化学实验室的标准配备。

“当时只有个研究方向和大概想法。虽然学校提供了启动经费，但也得精打细算。还好做这项研究不用花太多钱。”从容易找到的铜丝、铜网开始，的确没有太高成本。后来有了初步的成果，他又从河北一家金属网厂买来了不同孔径的铜网，用不同方式处理后折成小船，放在一个装了水的大烧杯里观察。小船的载重，则是用常见的纽扣电池来计量的。“我们是做电池的嘛，这里有不少这种电池，刚好拿来用。然后看到效果了，找个数码相机拍下来就行了。”他一副精明计算的神气，“这项成果其实出得比较早，2007年就出来了。但是为了验证、确认，又花了一年多时间。”

超出想象的小船

那篇论文中，列出了不同孔径铜网制作的同样大小的小船，分别能够承载的重量。理论上，8立方厘米容积意味着最多能够排开8立方厘米的水，因此最多只能承载8克的重量罢了。而使用这种新技术处理后，用孔径不到0.2毫米的铜网折叠的小船，容积区区8立方厘米，居然能够承载超过13克的重量——即使船的上边缘已经在水面以下，还依然继续漂浮而不进水。

这就是超疏水表面的突特之处。当液滴遇见粗糙的固体表面时，在显微镜下看来，实际上是一部分液滴与固体表面的突起部分接触，另一部分液滴则与固体表面结构的缝隙和孔洞中储存的空气接触。按照目前普遍认可的凯西-巴克斯特模型，在某种固体表面上，液体与空气接触面积越大，则这种表面的疏水性越强。换言之，疏水性表面相当于吸附了一层薄薄的空气膜，所以材料的浮力变大、在水中的阻力变小、耐脏，甚至界面电阻也会变得很大。

“我们说的自清洁就是这样。就像荷叶表面看起来是干干净净的一样——因为水不会浸湿这些表面，水中的杂质自然也不会留在表面上，灰尘也很容易被水带走。耐腐蚀也是这个原理。这些表面结构中储藏了空气，很难直接和溶液接触，当然也就比较耐腐蚀了。”

超疏水表面材料是纳米技术的一个研究热点，最早的研究可以追溯到上世纪50年代。这方面的研究成果已有不少，制备超疏水性表面的技术更是多种多样，从刻蚀、氧化、乳液聚合、气相沉积到培养纳米纤维生长等等工艺不一而足，材料的疏水效果也有强弱之分。然而潘钦敏的这项研究自有过人之处，其最大的优点就是成本低，而且疏水性能优秀。新技术的工艺十分简单，甚至每个人都可以自己在家做出这样的超浮力船来：把铜网用稀盐酸洗干净，放进稀硝酸银溶液里面浸泡几秒钟，洗净晾干后再放进月桂酸的酒精溶液中泡一会儿，最后用丙酮洗干净晾干就行。铜会把硝酸银中的银离子置换出来，在铜网表面生长出微/纳米结构的银“绒毛”，然后用月桂酸处理一下，这张网就可以轻松地浮在水面上，只是颜色会变成黑色罢了。

在放大一千倍的照片中，经过这种技术处理的铜网，表面看上去像是长满了苔藓的草地；五千倍照片中，像是松花蛋的表面，满是枝枝杈杈的花纹；而在两万倍的放大率下，变得更像是一枝松枝，只是松针的长度，大概只有两三百纳米罢了。置于其上，水珠便如珍珠一样滚来滚去，稍稍倾斜就会一路滚落。而按照它提供的浮力计算，如果用来制成一套游泳衣，甚至可能支持一匹马的重量。从技术数据上来看，它可能是目前在同类成本的超疏水材料中效果最好的。

“理论上是这样，不过我们暂时还没有办法来做大规模一点的实验。而且因为铜网很软，如果要做成大一点的东西，可能会有结构上的问题——这就不仅是化学的问题了。” 潘钦敏说。

不过这并影响这种技术在其他领域的应用。这种材料虽然超疏水，但是却亲油。现在潘钦敏已经用它做成了分离器，可以用来把水上的油滤出来。水上运输业可能会拍手欢迎这种材料，而那些放置在恶劣潮湿环境的仪器仪表通过包裹这种材料就可以有效抵抗腐蚀。如果和微电子技术相结合，用途将更多。“例如微型的水上机器人。有些地方可能环境恶劣，人并不适合去工作，用这样的材料来做水上行走工具，让机器人去可能更合适。还有像是水下舰艇，这种材料能够很有效地降低舰艇在水中的阻力——只要包上一层就行了。”

按照工艺来看，任何铜制品都可以采用相同处理方式获得疏水效果，为什么偏偏选择了网状结构呢？回答我最后一个问题的时候，潘钦敏丝毫没有犹豫：“如果是用铜片的话，直接折起来也能浮在水面上，那就不好玩了。就是要像铜网这样本来漏水的东西来做才好玩嘛。”他脸上浮现出找到了心爱玩具的孩子般的开心笑容。

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希腊神话中，狡猾的西绪福斯终于惹怒了众神之王宙斯，被施以最痛苦的惩罚。每天早晨，西绪福斯都要将一大块石头推上高山，而在他以为已经到达时，石头就会从他手中滑落。周而复始，永不停歇。

不知道西绪福斯有没有从物理学的角度考虑过这个过程。他的肌肉输出的动能转化成石头的势能，每攀登一步，石头得到的势能就更多一分；当他到达山顶时，石头命中注定地从他身边滚下，将势能再转化为动能。西绪福斯只能眼睁睁地看着石头一路狂奔，消失在他的视野当中——同时喘着粗气，身上散发着热能。

这大概相当于希腊版的吴刚伐桂。看来，东西方的古人在最残忍刑罚的问题上达成了一致——强令某人去做无用功。恐怕很少有人会承认自己所做的事毫无意义，但是在我们的生活中，的确有意无意地存在这种问题。

在现代都市中，正常男性每天消耗的热量大约是2500千卡左右，女性还要再少一些。这些能量支持我们的生理活动，使体温徘徊在37摄氏度左右，让我们的神经和肌肉系统正常运作。然而，其中有大约三分之一是被浪费掉的：它们改变衣服的形状、造成地板的轻微变形，以及仅仅是散失在周围的空气中。

很早以前人们就已经开始尝试利用这些能量了。早在1770年左右，瑞士力洛克（Le Locle）的制表大师亚伯拉罕·路易·波特莱（Abraham-Louis Perrelet）就发明了自动表，只要带着这种表走路十五分钟，它就可以工作八天。现在的全自动机械表也采用类似的构思，将人们走路时手臂的摆动，通过一个摆锤转换成手表发条的弹性势能，用这些储存起来的能量驱动秒针嘀哒不休。

然而，使用这种思路来解决现在数码产品的供电问题可能没什么前途，因为人体能够提供的能量并不能算大，而且转换效率也不算高。以现在的技术水平，如果你要像使用全自动手表那样为MP3供电，恐怕需要把手臂挥舞得如同风车一般。并不是每个人都有勇气这么做——毕竟除去指尖充血、肌肉酸痛的必然后果外，往往还需要承受路人诧异的眼光。

最近有些新产品可能会减少这种尴尬。一种叫做“水虎鱼”的电动刮胡刀在背面安装了一个摇柄，猛摇一分钟，可以刮七十秒胡子；还有一种阅读摇椅，坐在上面摇啊摇的时候，椅子上安装的阅读灯就会亮。这听起来像是停电时的救星，不过我真的不确定，摇椅上是否真的适合看书。

一个人能够产生的电量大概就能做这点小事，但是毕竟人多力量大。加利福尼亚健身连锁机构已经开始尝试在健身设备上安装发电装置，把人们燃烧的脂肪转为健身房的电力供应。这套系统的原理和我们在科技馆中总能够看到的那种发电自行车差不多，你踩得越快，灯泡就会越亮。荷兰鹿特丹的一家“WATT”夜总会铺设了特别的能量收集地板，将人们随性抛掷的热情狂舞变成闪耀的霓虹灯光。纽约的Fluxxlab设计工作室设计了商场使用的旋转门，有人推动的时候，藏在地板下的弹簧装置就会发电。麻省理工学院的两位博士生设计了一种地板，当人们走过时，就会将人们的重量传递到地板下的垫块上，进而驱动发电机。

这些设备只适合用在公共场合，如果安装在家里的话，成本太高，得不偿失。不过幸好我们还有一些更适合个人使用的技术，比方说压电材料——就像我们常用的一次性打火机里面的压电打火装置那种。新加坡国防科技局和新加坡大学的研究者们尝试在鞋里安装压电材料，让鞋子变成充电器；而北京大学工学院教授、乔治亚理工学院杰出讲席教授(COE Distinguished Professor）王中林博士和他的团队发明的基于压电技术的纳米发电机，在2006年就引起了纳米科技领域的轰动。王教授他们发现了氧化锌纳米材料的压电特性，当拨动这些直径只有千万分之一米的小氧化锌纤维时，就会产生电流。现在他们更进一步，正在尝试制造出能够发电的衣料。使用这种材料制成的衣服，只要有运动能让衣料变形，就可以发电。最近发表的论文称，这种衣料已经在仓鼠实验中获得了不错的结果。按照他们的估计，在经过优化的情况下，1平方米这种衣料将能够产生最高80毫瓦的电能。

这虽然不够点亮一个最小的灯泡，但是也许可以供给那些我们将来须臾不可离身的小型电子设备——毕竟这些电子设备的微型化和低能耗，是最引人关注的发展方向。

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有个朋友跟我说，Wall-E可以称得上是宅男的样板。这个外表邋遢的小机器人日复一日重复着简单枯燥的工作，却把家里收拾得井井有条一丝不苟；生命中最灿烂的一段时光是一心一意地对“她”好，而丝毫不在乎对方的回应。

我觉得他说得很有道理，不过我还是对Wall-E的人工智能状况更感兴趣。看起来“他”——对于这样一个有人性的机器人，好像称呼“它”不太合适——的智商应该不低，不过情商似乎还有提升的空间。当然，这和大多数宅男也非常相似。

不过我们不能苛求太多。毕竟在今天，制造一台拥有人工智能（AI，Artificial Intelligence）的机器人还只能是一个梦想，虽然有些人说这个梦想马上就能成为现实。

能骗人的人工智能就是好人工智能

“在互联网上，没有人知道你是一条狗。”（On the Internet, nobody knows you’re a dog.）这句人尽皆知的名言出自1993年7月5日的《纽约客》（The New Yorker），漫画家彼得·斯坦纳（Peter Steiner）用这种方式调侃互联网的匿名性和隐蔽性。在今天，艾尔博特（Elbot）可能会对此持不同意见。也许它会说：“在互联网上，没有人知道你是一个人工智能程序。”

艾尔博特的确有资格这么说。到目前为止，它是世界上最“聪明”的程序之一，2008年10 月12日，在英国雷丁大学（University of Reading）进行的决赛轮中，艾尔博特以文本对话的方式，和12 位裁判交谈，最终有3位裁判认为它是真人。这为它的设计者赢得了一项份量不轻的奖项——勒布纳人工智能（The Loebner Prize for Artificial Intelligence）铜奖。要知道，自从1990年开设这个奖项起，还没有人能够拿到金奖或者银奖呢。

艾尔博特的设计者是弗莱德·罗伯茨（Fred Roberts）。他是“人工方案”（Artificial Solutions）公司的一名知识工程师，主要研究基于知识的系统。在“人工方案”的首页上，智能聊天程序弗兰克（Frank）说：“他可能是我们最好的知识工程师。”而罗伯茨自己说：“我真希望我能有艾尔博特那么健谈。”

艾尔博特说：“我听说过弗莱德。他以为是他给我编了程序，我才能说这些话。”

到底是罗伯茨设计了艾尔博特，还是艾尔博特说的是真话？人类的智能，和机器的智能，到底该如何区分？或者说，我们如何判断，一台机器是否真的拥有了智能？

幸好，这个问题早在近60年前，就有了一种答案。阿兰·图灵（Alan Mathison Turing），英国数学家和逻辑学家，20世纪最著名的天才之一，曾经在1950年10月的《心智》（Mind）杂志上发表了一篇论文，题目叫做《计算机与智能》（Computing Machinery and Intelligence）。在这篇文章的开头，他问了一个问题：“机器能思考吗？”（Can machines think？）就这样一个问题，为人们打开了一扇大门，并且开创了人工智能这一崭新的学科。到了今天，人工智能已经发展成了一个涵盖相当广泛的巨大领域，机器所执行的通常与人类智能有关的智能行为往往都包括在内，包括判断、证明、推理、感知、识别、理解、通信、设计、思考、规划、学习和问题求解等等。

图灵在他的论文里兴致勃勃地讨论了这个问题。他提出，也许可以用一个模拟游戏来判断。在这种游戏中，让人和计算机一起接受第三方的询问，最后由第三方判断谁是人，哪个是机器。图灵说，这种游戏的优点在于它可以把人的物理能力和心智能力明确地区分开，“我们不想因为一台机器不能参加选美大赛而责备它，正如我们不会因为一个人没有飞机速度快而责备他一样。”

这种测试方法被命名为“图灵测试”，现在已经成为了人工智能的测试标准。勒布纳人工智能奖采用的正是这种方法，只是规定得更加严格一些。而奖牌的一面就刻着阿兰·图灵的头像和这句话，做为对人工智能研究者的肯定和鞭策。

但是，能够骗过一部分评委，和真正能够思考，实际上是两件事。罗伯茨说他并不相信艾尔博特能思考。他打比方说，“如果你知道一种魔术秘密何在，明白它如何完成，它对你来说就不再神秘。”

的确如此。

 它们有智能吗

从《终结者》系列中毁灭人类的“天网”，到《人工智能》中渴望变成人类的机器人小男孩，再到把《黑客帝国》中把所有人类都当作电池的“母体”，关于人工智能的小说、电影和其他艺术作品可谓数不胜数。在这些作品里，人们对于人工智能的兴趣，大都只集中在“有了它会怎么样”上，而不是“怎样去实现它”。毕竟后者要枯燥无味得多。

但是也重要得多。我们可以教会一只小狗去门口取报纸，也可以教会海豚跃出水面空翻两周半，但是却没有办法让一块石头做一个哪怕最简单的动作——动物们有基本的智能可以学习，石头没有。而计算机，本质上和石头也差不多。

像艾尔博特这样的程序，历史上曾经出现过很多个。这类程序的共同点在于，它们都有一个语料库，用来存储对话时可能会用到的词汇和句子。当人们和它们沟通时，它们会分析句子中的关键词和句法，并且根据这些关键词及它们在句子中的位置来挑选出最符合程序的回应。实际上，早在20世纪60年代，就有人开发了一个模拟心理诊疗师的程序，有些曾经与它沟通的人认为这个程序真的理解他们，并且不止一次地跟程序开发者要求要和这个程序“单独谈谈”。 现在再翻阅起这些记录时，有些对话会给人一种计算机具有某种程度的理解力的可怕印象。而事实上，它只不过完成了一个相当机械的输入-根据规则筛选-装配-输出的过程而已。罗伯茨对艾尔博特的评价放在这里也同样适用：戏法人人会变，只是巧妙不同。

那么别的方面呢？例如棋类游戏？的确，1997年那场国际象棋特级大师、世界冠军加里·卡斯帕罗夫（Garry Kasparov）和“更深的蓝”（Deeper Blue）的世纪大战，也许会让人们觉得，计算机有超过人类的智能。但是“更深的蓝”依靠的只是惊人的存储能力和惊人的速度，以及一群聪明人编制的国际象棋软件，而非真正具有推断和分析的能力。而推断和分析的能力，正如我们所知，是人类智能的一部分。一般来说，在棋局中，如果要求落子动作非常快，计算机程序总的来说比相当的棋手高明一些；而如果每一步棋允许的时间更长，则棋手的表现将会相对地比机器好。换句话说，计算机是基于准确、快速的搜索和计算来判断的，而人类的棋手则依赖于缓慢得多的意识来“判断”。这也解释了计算机在围棋方面并不能胜过人类棋手——围棋每一步可能走的位置比国际象棋多得多，目前还没有速度足够快的计算机，能够在时间允许的情况下计算出所有的可能走法。

心理学家罗伯特·斯腾伯格提出的三元智能理论将人类的智能分为分析智力、创造性智能和实践智能，在通用的智商测试表中，使用到的只是分析智能。而创造性智能包含了灵感、直觉、想象力等，实践智能则指的是解决实际问题和做出决定的能力。我们可以看出，虽然计算机现在已经以人类远远不能企及的速度和精确性实现了原本属于人类思维领域的大量任务，从最复杂的计算到最逼真的模拟，甚至看似随意地“写诗”和“作曲”。但是，它们不会推理，不会分析，更谈不上创造。他们不会从一幅画中感受到艺术的美，不会对着一片树叶浮想联翩。它们不会思考。我们虽然在很多地方都已经在使用人工智能相关产品，从搜索引擎的分词技术到基于统计的机器翻译，从满地乱跑的清扫机器到将会登陆木卫二去寻找生命的机器人，但是它们所表现出的，和“更深的蓝”或者艾尔博特一样，只是程序设计师的智慧。计算机所做的，只是大量的存储，和快速的计算罢了。如果没有规则告诉机器如何去做某件事，它们就做不了。它们并没有人类意义上的智能

让机器拥有智能

1747年，拉·梅特利(Julien Offroy de La Mettrie)写了一本书，名叫《人是机器》。在那本书中，他说人如同一架机器，特别是人类的智能。和他的深沉思考相对应的，是当代人工智能研究者们孜孜不倦的探索。

科学家们把计算机和人都看作一个物理符号系统。这样系统具备六种功能，除了输入符号、输出符号、存储符号、复制符号这几种之外，还包括通过找出各符号间的关系建立符号结构，以及根据已有符号继续完成活动过程的条件性迁移功能。既然人和计算机都是这样，那么就可以推断出，一个人的行为是可以用计算机来模拟的。在给定一个足够精确的关于人的内部状态和外部环境的描述之后，人的行为，都能用一段计算机程序计算到任意精确的程度。这等于是说，相信大脑在原则上是用一种可以了解的方式活动的。

但是怎样模拟，还依然众说纷纭。符号主义（Symbolicism）认为人工智能应该以数理逻辑为基础，以符号来表示人的认知过程，而符号操作则是人类思维活动的最小单位；联结主义（Connectionism）流派则认为人工智能应当基于仿生学，特别是对于人脑模型的研究，人类的最小思维单位是神经元；行为主义(Actionism)者则认为人工智能应该源于控制论，智能取决于感知和行动，智能不需要知识、不需要表示、也不需要推理，而且人工智能可以像人类智能一样逐步进化。

无论采取什么方式，目前我们的人工智能远远达不到一般人心目中“智能”的标准。

唐纳德·诺曼（Donald Norman），美国西北大学（Northwestern University）计算机和心理学教授，提出了一种我们该如何看待计算机的智能的观点。他认为人和计算机是完全不同的：人是不可预料的、对错误相对不敏感的、冗余的；而计算机是理性的、前后一致的、精确的。可以说，人的天性和计算机的“天性”，几乎就是指南针的指针两端。要让人去适应计算机，或者让计算机学习人类，都会十分困难。

特别是在人类还不了解自身的情况下。候世达（Douglas R. Hofstadter）在他那本著名的《集异璧》（Gödel, Escher, Bach: an Eternal Golden Braid）中说：“我们可以把现实世界中的思维过程比做一棵树，其可见部分坚实地长在地面之上，但却性命攸关地依赖于在地下四处延伸的看不见的根系。根使它稳定并提供给它营养。在这里，根象征着那些复杂过程，这是一些发生在大脑的意识层次之下的过程——其影响遍布我们自己觉察不到的思维方式中。”要把我们自己“觉察不到的思维方式”提炼出来，把模糊变成清晰，把概念变成算法，最后再把算法灌输到计算机的机器脑壳中——这并不是件容易的事。

也许，当计算机真正拥有智能时，和人类所认知的智能完全不是一回事。

弗兰兹·埃尔特（Franz Alt）在《人类智慧的终结》（End-running Human Intelligence）中写道：“危险存在于任何想让人工智能来模仿人类思维解决问题的策略的企图。”在那本书中，他举了一个例子：19世纪时，有人打算发明模仿人类手写的机器，让机器能够握着笔写出漂亮的手写体。这些努力因为打字机的出现而全部付诸东流。为什么那些努力都被白白浪费了？是因为他们在一开始就以现有的状态来考虑问题，而不是从新技术的角度出发。

这就是为什么现在的研究者们不再渴望把智能用程序编入计算机中的原因。他们现在更倾向于搭建一个环境，让程序们可以自己交流和互动，并且希望可以在这种互动中产生智能。

雨果·德·加里斯（Hugo de Garis）教授开创了可进化硬件（Evolvable Hardware）的研究领域。他将遗传算法（Genetic Algorithm）与现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）结合在一起，让程序自己生成复杂的随机电路，最终形成一个“人工大脑”。这样，机器就可以自己进化。

而2000年成立的人工智能奇点协会（Singularity Institute for Artificial Intelligence）更进一步。他们对“种子人工智能”（Seed AI）更感兴趣，打算开发出一个可以学习和成长的程序，把它扔到一个广阔的环境里，然后静观其变。

正如可能是在“原初汤”里诞生了生命的最初萌芽一样，也许互联网会成为人工智能最初的“汤”。

然而，正是思维的能力，使人类超越了体能上的限制，并且使人类比其他生物取得更加骄人的成就。如果机器有朝一日会在这种人类最重要的品质上超过我们，那时我们又该何去何从呢？

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