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《科学24小时》

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旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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游戏“神”操作

2014-02-20 20:30:10

游戏“神”操作

杨洋

 

“公元2015 年,一个巨大的人型生物侵袭了日本各大城市。奋起反击的国联军,将该生物称作‘使徒’。不过,就连最具杀伤力的‘N2 地雷’,也只是在短时间内减缓了‘使徒’的步伐。与此同时,一个名为碇真嗣的少年,被他的父亲带到了第三新东京市地下的NERV(德语中意思是‘神经’)本部。在没有受过任何特殊训练的情况下,真嗣就和EVA初号机达成同步,并肩作战。由于真嗣不熟悉操作,也没有实战经验,EVA初号机在遭到‘使徒’的简单攻击后,就丧失了战斗能力。但在真嗣昏迷的时候,EVA初号机竟奇迹般地再次启动,在失控的状态下,EVA初号机依靠强大的力量将‘使徒’击溃。”

喜爱动漫的朋友想必早已经看出来了,这是日本著名动漫作品《新世纪福音战士》中的一段描述。对于EVA机体的控制,是通过驾驶员与EVA机体神经系统同步率的高低,来获得相应效率的机体控制权限的。同步率越高,EVA机体的稳定性及操作的精确性就越高。从动漫作品创作之初到现在,已经过去了近20年,世界并没有像剧情描述的那样变了模样,不过神经系统控制器却早已成为我们触手可及的事物。

 

只知其音不知其意的神经系统

要了解神经系统控制器,我们首先要知道什么是神经系统。

神经系统由脑、脊髓、脑神经、脊神经、植物性神经,以及各种神经节组成,其基本结构和功能单位是神经元。它能协调躯体内各器官、各系统的活动,使之成为一个整体,并与外界环境发生相互作用。而神经系统控制器,主要由神经系统中大脑皮层的反射与传导信息进行控制。

大脑由上亿个活跃的脑神经组成,轴突的总长度可达17万千米,连起来可绕地球3 圈多,人类大脑平均每天会产生7万个想法。然而,人脑中复杂的神经系统活动,是如何转换为数字信号,从而操作并控制相关设备的呢?其实,就像人声会被麦克风“拾取”一样,只要我们有相应的传感器,能够捕捉到神经系统活动的信息,并进行“数模转换”,将其变成电信号,再经过特定的编码器处理的话,一切问题就会迎刃而解。

不过,这种传感器的制造难度非常大,主要问题就在于如何捕捉神经系统的活动信息。说到这里,我们就不得不提到人类的两个生物现象——生物电和肌肉电。只要能顺利观察到这两种现象,那么捕捉信息就不难了。

 

放电的脑细胞

生物电现象是生命活动的基本特征之一,不论种类大小,只要是存在的生物生命体,都具有或强或弱的生物电。

1924 年,德国的生理学家汉斯·伯格观察到电鳗会发出电气,他认为人类身上必然也会存在着相同的现象。同年7 月的一个傍晚,汉斯·伯格第一次在颅骨受损的病人头部测到了极为微弱的电流。经过近5年的漫长实验,他终于确认这股神秘的电流来自于脑部活动。

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也许你根本无法相信,人体内竟然会有电流,不过这是事实。电流的源头就是人类大脑中无数个“微小的发电站”——脑细胞,这些脑细胞都会释放极其微弱的电流。不过,单个脑细胞产生的电流过于微弱,科学家很难从头皮外部进行测量。因此,只有一定数量的脑细胞共同放电,由此产生的集体电波才会被仪器检测到。所以,目前研发的神经系统控制器,往往捕捉的是集体电波。

如今,可用电子扫描仪检测出的脑电波波段主要有4 种,即δ波(13Hz)、θ波(47Hz)、α波(813Hz)、β波(1430Hz)。

δ波的频率为每秒13 次,婴儿、极度疲劳和处于昏睡状态的成年人的大脑中,都会出现这种波段。

θ波的频率为每秒47 次,成年人在情绪受挫、情感抑郁时,大脑中就会出现这种波段。不过,θ波主要还是少年(1017岁)大脑中的首要脑电波。

α波的频率为每秒813 次,它是成年人脑电波的基本节律,如果没有外加的刺激,其频率是相当恒定的。人在处于清醒或平静的状态时,这种节律最为明显,一旦受到刺激,α波会立刻消失。

β波的频率为每秒1430 次,当人们精神紧张、情绪激动或非常亢奋时,就会出现这种脑电波。当α波快速消失时,往往出现的就是β波。

不过,科学家们认为还有大于35Hz 的脑电波——γ波。这种脑电波的频率过高,长期处于该状态下的人会有生命危险。

这些形形色色的脑电波,形成了人类各种各样的神经活动,从而表现为不同的大脑活动状态。而神经系统控制器的捕捉对象正是这些脑电波,不同的脑波模式会发出不同振幅、频率的脑电波,控制器依靠对这些脑电波的检测,就能分析出控制人的思想活动和精神状态。然而除了脑电波外,肌肉的收缩也会产生电流!我们将这种现象称为肌肉电。

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无时无刻不放电

第一位观察到肌肉电现象的是意大利解剖学家路易吉·伽伐尼。1791 年,他做了一个重要的实验:利用金属棒将青蛙小腿的肌肉去极化。当他用电流棒刺激青蛙肌肉的时候,他发现这块肌肉会急剧收缩,并产生力量。这次重大发现最终促使了神经生理学的诞生,路易吉·伽伐尼也因此被后人称为神经生理学之父。

科学家们对这种由肌肉产生的电流非常感兴趣,但由于当时的科技水平落后,人们还很难对肌肉活动产生的电流进行监测。1922 年,美国科学家盖瑟与厄尔兰格利用阴极射线示波器,终于“看”到了肌肉产生的电流讯号,他们也因此获得了1944 年的诺贝尔医学奖。直到那时,人们观察肌肉电流现象的技术才初步成熟。

如今,我们已经观测到,心脏跳动时会产生12 毫伏的电压,眼睛开闭会产生56 毫伏的电压,而思考问题时大脑会产生0.21 毫伏的电压。经过科学家们的不断实验,大脑皮层中大部分控制具体活动所对应的身体部位已经被定义。比如,大脑顶部的神经元主要控制四肢,大脑后部的神经元主要控制眼睛。

正是依靠监测肌肉电流产生的电压大小,以及大脑神经的活跃部位,如今的神经系统控制器才能将人类的动作投射到游戏屏幕上。

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意念控制传感器

 

神经系统控制器的工作模式

游戏依靠“神”操作,是目前游戏开发商们的主要研究方向和目标。他们渴望利用人类的生物电现象和肌肉电现象,为我们提供更舒适的游戏体验。

如今神经系统控制器的工作模式大同小异,不过在不同的游戏类型中,控制器的工作模式就有所不同了。

当玩家在操作动作游戏时,控制器会将主要的捕捉对象定位于肌肉电流。例如,当大脑顶部产生35 毫伏的电压时,控制器就可以通过分析得知:玩家渴望活动四肢。之后,控制器会着重监视这块区域的电流状况,不同大小的电压能够显示出玩家具体希望活动的是双脚还是双手。

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神经元

 

实战实战

一款高科技的设备在实验室里显然得不到真正的考验,只有将它推向市场,并获得用户的认可,才能证明它是真汉子!

2008 年,来自美国加州的神经科技公司率先在GDC 大会上展示了全球首款神经系统控制器——ProjectEpoc 系统。使用者戴上这套控制器之后,只要通过意志和情感,就能对游戏中的角色进行操控。这套产品除了为玩家的游戏操作带来更多的便利外,更令人无法拒绝的是,它的售价仅为299 美元。这就是世界上第一套依靠人类大脑来控制游戏的系统。

ProjectEpoc 系统主要部件的形状类似于一个自行车头盔,上面安装了16 个传感器。ProjectEpoc 运用一种被称为非侵入性的脑电波仪技术,感测并学习每个使用者大脑神经元的电信号模式,读取使用者大脑对特定动作产生的定义,通过应用程序进行分析解读,其后转化成电脑或游戏机能理解的讯息,解读其意念、感觉与情绪,再以无线传输的形式在荧幕上复制出同样的动作。而且,ProjectEpoc 还能让游戏中的虚拟人物模仿玩家的面部表情,甚至让虚拟人物在游戏中根据玩家的意念移动指定的物品。

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ProjectEpoc 系统的头盔

负责产品研发的布林称,与手写体和语音识别一样,ProjectEpoc 系统也需要使用者进行一段时间的学习。在使用前,玩家需要完成一系列的敏感性调整,使设备更富个性化。首先需要训练的是“中和信号”。所谓中和,就是不用玩家做任何事情,只需要放松。在这个过程中,设备会给玩家建立一个地基,或称为大脑的普通模式,因为每个人的大脑都是不同的。然后,使用者要完成一个短暂的适应性测试,在测试中,使用者需要通过意念,在众多的彩色方块中控制特定的方块做出各种运动。比如让蓝色方块前进、红色方块后退、绿色方块消失等等。这有点类似于游戏手柄或者键盘的按键映射,这套测试会告诉控制器,在使用者的意念中,哪段电波控制上下,哪段电波控制左右。

不过,ProjectEpoc 系统毕竟是6 年前的产物,仍然有许多技术需要改进。由于头盔最重要的部分是16 个感测器,因此头盔的佩戴还颇有学问,要调整到特定位置才能达到最佳的游戏效果。而且,玩家在使用时头部晃动幅度不能过大。最“令人发指”的是,ProjectEpoc 仍然需要你做出实际动作,以此让设备作出相对感应。

为了让玩家拥有更好的游戏体验,2012 年,全球范围内至少有10 余款神经系统游戏控制器问世。美国OCZ 公司研发了Neural Impulse Actuator系统,NeuroSky 公司推出了MindSet(脑波控制头盔)。2013 11 月,我国也诞生了首台意念控制机器人。

如今,越来越多的人关注到了神经系统控制领域。神经科学家艾伦·斯奈德认为,在下一代遥控装置中,神经系统控制器一定能取代遥控手柄。日本任天堂总裁岩田聪也表示:“当我们在大脑中浮现所想时,这些图像就会出现在视频游戏之中,今后你可能会非常需要这样的头盔装置。”

《新世纪福音战士》的动漫剧情虽然带有浓重的宗教幻想气息,但对于现实生活而言,它一定有着某些指点未来的能力。如果说Wii 的出现颠覆了一代操纵方式的话,那么神经系统控制器无疑将是下一次更加彻底的革命。

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相关链接

轴突:它指的是动物神经元传导神经冲动离开细胞体的细而长的突起。轴突是神经元的输出通道,作用是将细胞体发出的神经冲动传递给另一个或多个神经元或分布在肌肉或腺体的效应器。在神经系统中,轴突是主要的信号传递渠道。

去极化:它指的是跨膜电位处于较原来的参照状态下的跨膜电位更正(膜电位的绝对值较低)的状态。去极化是通过向膜外的电流流动或改变外液的离子成分而产生的。

GDC:它是世界著名的游戏开发者大会,是全球科技水平最高、参与人数最多、影响力最大的电子游戏业盛会。

Wii:它是日本任天堂公司推出的家用游戏主机,它的主要功能包括:单手遥控、指向定位及动作感应。

 







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