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机器帮你看世界

来源:网易探索
摘要:量子时代的世界不再“眼见为实”,人可以抛弃自己的器官,通过机器制造真实的视觉,而机器也将慢慢离开人的指导,创造出人感觉不到的视觉世界。机器开始越来越关心我们的身体了。以失明为例,全世界视力残疾者有1。克劳狄和他的机器已经共存了5年。...

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量子时代的世界不再“眼见为实”,人可以抛弃自己的器官,通过机器制造真实的视觉,而机器也将慢慢离开人的指导,创造出人感觉不到的视觉世界。





机器开始越来越关心我们的身体了。毕竟失去身体让人恐惧,没有行动力让人缺乏安全感,失去感觉更加让我们没有存在感。以失明为例,全世界视力残疾者有1.5亿,中国视力残疾者约有1200万,其中老年人估计有800万左右,他们活在无望的黑暗中。但量子时代或许能让这些失明的人感觉到上帝离我们越来越近。



克劳狄和他的机器已经共存了5年。一开始,他的机器只能提供给他16个像素的亮点,好像电子记分牌上的16个光点,不能辨别物体,但已经能感觉光线的变化,最起码能分清黑夜和白天。而现在他能看到10×10像素的图像,大约与书报中的普通单个字母差不多。“我对我的新视网膜很有信心。”5岁时就因感染失去视力的克劳狄说。





约翰·霍普金斯电子眼



视网膜是眼球内复杂的神经组织,厚度不超过0.04英寸,却由近10层结构组成,包括100多万个神经细胞和1.5亿个感光细胞。感光细胞(如锥状体极感状体)负责感应光讯息,藉由神经传导物质将感应到的讯息传导至中层的两极细胞。两极细胞再将调节后的讯息传给内层的神经节细胞,经由神经节细胞连结的视神经传入脑内,由枕叶大脑皮质的视觉神经中枢解读。



从大脑的角度来说,视觉神经中枢是大脑皮质内产生视觉,即形成“看到”这一感觉的神经细胞群。它位于距状裂两侧的枕叶皮质上。人类由视网膜接收世界发来的光信息,由视神经传递到视觉中枢,由它把这个“光的世界”拼凑起来。这三者任何一个出现问题时,都会出现视觉障碍。



克劳狄携带的机器“约翰·霍普金斯-NCSU电子眼”,完全称得上是一个人工视网膜。一副太阳镜上装有扫描摄像机和一个电子装置,将眼前的物体图像变成数字信号,再借助用微创手术植入眼睛玻璃体的电极可依据这些数字信号刺激视觉神经,当由此产生的视觉神经信号抵达脑部时,患者就能重新“看”到图像了。患者所感知的图像清晰程度取决于植入电极的数量,其作用就相当于数码相机的像素,电极数量越多,所感知的图像也越清晰。



这一装置因为美国约翰·霍普金斯大学威尔墨眼病研究所率先取得成就而得名。2008年初,日本大阪大学和奈良科技研究所的专家推出改进版的“约翰·霍普金斯”,使用了9个植入电极刺激视觉神经,并计划在年底前增加到49个电极,使患者感知的图像更加清晰。



与克劳狄不同,琼斯不想以墨镜形象示人:“至少我不想从形象上仍是个盲人。”她是伊利诺伊大学芝加哥医疗中心的盲人志愿者。该中心的周阿伦博士给她换上一个直径为两微米的视网膜芯片,去掉了体外的所有累赘配件,让她看上去更像正常人。



这块芯片包含大约5千个小太阳能电池,每个小太阳能电池都附在芯片后的微型电极上,光是电极的触媒,同时也给芯片提供能量。进入眼球的光线碰到视网膜位置植入的芯片将激活电极,再刺激视网膜之后的视觉神经。周博士已经在6名患者体内植入这种设备。“琼斯以前从未看到过光,但是现在可以看到站在她面前的人。”周博士说。





电极的妙用



然而,克劳狄和琼斯的烦恼并不总是在于不能视物。克劳狄必须定期对自己脑壳里钻出来的导线进行清洁,而琼斯的眼球也总是又酸又痛。眼睛毕竟是一个非常娇嫩的器官,外来植入物的长期存留随时可能引起感染的发生。且不提体液内各种电解质成分对芯片的长期侵蚀也会使芯片的寿命缩短——一种由钛合金制成的密封装置能使比水分子小很多的氦原子都不能通过,从而保护芯片不受体液的侵蚀。但对于感染问题,目前只能寄希望于人类自身的免疫功能。



科学家还关心,当眼球快速转动时,这种由硅制成的薄片能否随视网膜的内表面一起自由地运动而又不会划伤视网膜?“约翰·霍普金斯”小组的负责人约瑟夫·里泽说:“这就像把一块砖头放在湿润的纸巾上。想要拉扯纸巾而又不让它被砖头弄烂。现在最理想的办法是通过一种装置使植入芯片悬挂在视网膜的表面,不与其直接接触。”电极的妙用让热衷人工视觉的科学家趋之若鹜。目前已知的能接受电冲动的神经细胞位于视网膜内表面下50~100微米处,要穿越这段距离,电极传来的电冲动的强度要足够大,但这样的代价就是过大的电击强度有可能会灼伤视网膜。另一方面,电极数越多对失明者的视觉刺激越明显,但过于集中的电冲动也会产生灼伤人体的高温。



纽约州多贝乐学院的电机工程师威廉·多贝乐决定另辟捷径。“如果视觉神经受到严重损害或者干扰,视网膜电极的刺激将不能引起大脑中视觉中枢的反馈。对他们来说,最彻底的方法是直接干预大脑成像系统。”



多贝乐打开患者的头骨,把包含64个电极的微装置植入到大脑枕垂体表面,通过头骨和皮肤的一个电子插口与摄像机和微型计算机相连。多贝乐的研究小组已经将这种设备植入来自6个国家的8名患者头骨内。一名患者从出生起就一只眼睛失明,45岁时另一只眼睛也瞎了。还有一名77岁才接收多贝乐手术的患者在二战时就失去了双眼。手术结果表明,他们不仅能重新看到物体,还能模糊地感觉到“这个世界的新鲜颜色”。





美妙的视觉



为什么要制造人工视觉?因为视觉实在太美妙了。



1988年美国加州大学Chua教授等科研人员发现,人眼大约拥有10~12个输出“频道”,每个“频道”将信息输向大脑,然后形成图像。人的视网膜会呈现出一组组图像,这些图像的形成是视网膜间一层层细胞相互通信交流的结果。他们已发明一种称为“细胞神经网络”的电脑微型集成电路,可以用来进行类似视网膜功能的图像处理。



细胞神经网络(CNN)是以神经网络的联接方式为背景,具有实时信号处理能力的大规模非线性模拟电路。从结构上讲,CNN类似于细胞自动机,即细胞神经网络中的每一个胞元仅与它的邻近胞元相连接,相连胞元之间存在直接通信,而非邻近胞元之间不直接联接,但是由于连续时间下的动态传播,可以间接影响不相邻的胞元。



由于CNN的弱关联和拓扑学性质,已经进入了量子力学的混沌领域。作为模仿生命体的视觉的拓展,它被应用在恢复自然图像等从模拟信息中取得真实信息的方面。作为人类感官的延伸,仪器通过CNN可以看到人类视觉无法达到的波长,比如用真实视觉的方式还原红外图像。



想象一下,如果这种技术可以用到星际空间上,那在宇宙中将出现具有人类生命的视觉。而在更大的空间中、更宽的频率里,人类的视觉会不会遭遇到其他的视觉?如果有的话,它们又会怎样看待人类心中的“道德法则”呢?
作者: 2008-7-26
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