“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，由詹姆士·卡梅隆（James Cameron）擔任編劇和製片、羅伯特?羅德裡格茲（Robert Rodriguez）執導的電影《阿麗塔：戰鬥天使》在中國地區正式上映。
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，被一位表面上是醫生、真實身份為賞金獵人的中年男人從垃圾堆中拯救並重鑄身體，然後走上重新認識自我的故事。
《阿麗塔》在卡梅隆購入版權後多年最終以電影的形態呈現在觀眾面前，但對於這個誕生於 1990 年的日本漫畫 IP 不是太熟悉的人來說，可能並沒有太多的期待。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於 1989 年的漫畫 IP：《攻殼機動隊》（Ghost in the Shell）。
圖 | 漫改電影《阿麗塔：戰鬥天使》（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，前者草薙素子帶領著警察九課以高科技手段打擊犯罪，後者阿麗塔則走上了重新發現自我的道路。
當然，兩位女主角雖然有著不同的人設，但作為科幻電影，主角的形態還是要以人民群眾喜聞樂見的未來科技高度發達的工業化產物呈現，相比於素子背後擁有強大的公共資源製造並維護自己的身體，阿麗塔則顯得更為“草根”：被 Dyson Ido 醫生從“天空城”排出的工業垃圾中“撿屍”，然後回家裝上一套 DIY 的機械身體。
看過這兩部電影的觀眾不難發現，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，主角們對於意識、人性，以及“我是誰？我在哪？我要做什麽？”的不懈追求，這是個哲學層面上的宏大話題，本文並不想著墨過多。但如果一定要以“硬科技”的視角去審視科幻電影，往往能發現一些不一樣的看點。
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絡獲取資訊的“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後停更，等到再次連載時，素子已經由“本地實體版本”進化到了“雲端數字版”，物質世界與信息世界對於素子來說，都成為了她的現實，也算是士郎正宗大膽預測了一把人類未來二十年的科技成果。
反觀《阿麗塔》的情節就顯得更為天馬行空了，從最初被撿回來後完全“義體化”，到後來偶然發現 URM（火星共和國）墜毀戰艦中用失傳科技打造的“狂戰士”機甲，再到最後徹底覺醒長出“天使之翼”（電影中並未出現）。比較值得玩味的應該算電影中出現的用於打造“狂戰士”機甲的納米技術，不僅具有與主人身體神經完全匹配的功能，還能快速自愈，似乎能看到鋼鐵俠“血邊戰甲”和金剛狼“阿德曼金屬”的影子。
不論是《攻殼機動隊》中用有限的實體戰力加數字化生存來打擊犯罪，還是《阿麗塔》用無限進化的“機甲術”去重新發現自我，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：素子的數字化生存 VS 阿麗塔的火星機甲術
“義體化”無疑是《阿麗塔：戰鬥天使》中最重要的元素，電影中充斥著大量由特效製作而成的機械假肢，這些人造的胳膊和大腿不僅宛若真實的血肉，還能發揮出遠超人類的力量。所以有很多觀眾不禁會讚歎這些假肢的神奇和美妙，然而它們並非科幻，在現實的世界中，早就有了類似的產物。
現實世界中的“義體化”
智能假肢和傳統的假肢最大的不同在於它可以根據佩戴者的需求而改變姿態，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徵控制智能假肢。
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，但是隨著現代技術的提升，它們已經可以被采集並且識別。
圖：MEG 信號的產生過程（來源：華盛頓大學）
當然，雖然技術上可以實現，但是對於商業落地來說，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，是目前腦機接口設計的首要選擇。不過 EEG 是典型的非平穩性信號，電壓和頻率成分在時間上的分布無規律，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。因此需要對其採用特殊且複雜的處理方法。
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。於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，使大腦對側產生事件相關去同步電位 ERD（event-related desynchronization）。這一過程在 EEG 信號上的表現為特定頻率的節律性活動幅度的降低。同側產生事件相關同步 ERS（vent-related synchronization），在特定頻率就表現出幅度升高。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，這個步驟並不麻煩，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 和神經反饋算法制作出智能假肢，實現了安露與郎朗彈鋼琴同台表演鋼琴的壯舉。該企業創始人兼 CEO 韓璧丞曾獲得過麻省理工科技評論「35 歲以下創新 35 人」的殊榮。
圖：安露與郎朗同台演奏（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來製作。對於殘疾人士來說，大腦知道其身體缺失的肢體，但是其他位置並不會，仍然會控制肌肉動作，聯動該已損失的肢體。比如小腿缺失患者的大腿，在收到大腦控制行動的信號以後，依然會“通知”小腿該起來乾活了。
正是由於人體這樣的特徵，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，用於連接仿生假肢的微電腦。由此來為智能假肢接受大腿發出的信號，最終實現代替小腿的功能。但是這種假肢需要患者進行定向肌肉神經移植術（targeted muscle reinnervation），用於放大信號，以便設備捕捉。
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。不僅如此，Handiii 的智能假肢也能通過信號驅動手指關節，原理如同上文提到的“大腿小腿”一樣，人類指關節活動時，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）
事實上對於智能假肢來說，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於驅動環節。目前一共有三種廣為認可的驅動方式：一、以氣動人工肌肉作為驅動系統；二、以電機作為驅動系統；三、混合驅動系統。
如果考慮實際使用效果的話，普遍認為第二和第三種驅動方法是可行的。氣動驅動的缺點非常明顯：控制不夠精準、能量轉換效率較低、噪聲大、不便於攜帶等，因此抑製了其實際應用。
在電影《阿麗塔：戰鬥天使》中可以看到，所有的義體均為使用電機驅動。那麽問題就來了，是否有足夠便攜的電池或者發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：反物質微型反應堆強化心髒。Dyson 醫生甚至親口告訴阿麗塔，她的這顆心髒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，反物質是微型超高密度能源裝置的“主流”解決方案之一，阿麗塔驅動“狂戰士”機甲所需的能源就來自一套“反物質微型反應器心髒”。在現代科學的幫助下，微型能源作為微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）的一部分，已經在實驗室中實現了。
圖：阿麗塔的心髒被改造為一個“反物質微型反應器”（來源：Fox）
微能源主要分為微型電池和微型發電機兩大類，微型電池很好理解，即縮小電池體積，借用微構件的差異性來實現更高的電池密度。而微型發電機則是一個非常值得深入的產業，它的交叉性非常強，一些大型發電機不能夠採用的結構，都可以利用微型發電機實現。
微型發電機的種類遠比普通的發電機要多，比如永磁發電機。但通常情況下，人類會採用電勵磁同步發電機，勵磁功率單元向同步發電機轉子提供勵磁電流，勵磁調節器則根據輸入信號和給定的調節準則控制勵磁功率單元的輸出，最終完成發電。
但是與電勵磁發電機相比，永磁電機具有結構簡單、 運行可靠、體積小、質量輕、損耗少、效率高、電機的形狀和尺寸靈活多樣等優點。可利用風能、水能等環境力為動力源，在有限的體積內實現長期供能。與常規的化學電池相比，盤式永磁微型發電機具有可長期儲存、無需人為補充能量、易於維護、汙染小等諸多優點。
在不考慮材料損壞和環境能供給中斷的前提下，這簡直是一台永動機。可惜的是，盤式永磁發動機只有在微電機領域才能實現，一旦增加其體積，永磁結構的優點便蕩然無存。
另外，振動式發電機也是微機電一個重要的發展方向。這是由於振動能的功率密度非常高，一旦加以利用，就能創造出遠超熱電的效果。
圖丨各種情況的功率密度，部門：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於多雲情況下的太陽能的。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值無法直觀地對比。
機械能是環境裡最為廣泛的能源之一，振動式發電機通過電磁、靜電、壓電等效應，利用拾振裝置將外部的振動能轉化為電能，可以應用於某些存在微振動的環境中。英國南安普頓大學就曾研製出過一款電磁式振動發電機，具體方法是將固定的磁體位於移動線圈的任意一側，再將線圈置於能夠產生共振的矽結構上。對負載進行優化之後，當輸入加速度為 9.81 每米/秒平方時，通過二維瞬態有限元的模擬，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製出過類似的振動式發電，但是他們採用了壓電方式。這種發電機由 PZT 材料製成，它與外部振動源產生共振，因此便能根據電壓效應產生電能。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 研發的微型振動能發電機（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束的的 EmTech 2019 全球新興科技峰會上，展示了摩擦納米發電機（TENG，全稱 Triboelectric Nanogenerator）：利用人類走路、呼吸等日常動作產生僅僅幾瓦的能量，去支撐許多電子元器件的運作。
所謂摩擦納米發電，實際上是借助摩擦產生的能量能夠作為靜電電荷在室溫下保留數小時之久這一現象，在材料表面增添特殊的屏障，防止摩擦產生的電荷回流到材料內部中去。接下來只需要讓這些無法回到內部的電荷驅動內置的納米級發電機，從而實現摩擦發電。
“義體化”與“忒修斯之船”
《阿麗塔：戰鬥天使》所講述的故事中，重點落在了女主角用機甲術與敵人戰鬥，以及最終找到了自己的身世真相，而機械假肢的部分並沒有做過多的描寫。卡梅隆並沒有把電影的核心放在和漫畫原著相同的水準面上，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 版西遊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：戰鬥天使》更像是一次對現有科學的崇拜，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備已經成為了某種器官般的存在。波蘭遊戲開發商 CD Project Red 在 2018 年 6 月發表了一款名為《賽博朋克 2077》的遊戲預告，在這款遊戲裡，身上沒有電子眼、機械臂等仿生設備的人們幾乎是異類般的存在。儘管《賽博朋克 2077》的理念和《阿麗塔：戰鬥天使》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合了。
文中所提到的智能假肢和微機電系統，其實離我們的生活一點也不遙遠，有些產品甚至已經擺在了貨架上了。隨著這些設備的技術含量提高和價格成本的降低，未來 20 年內定能普及市場。於是就有了“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。
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