2019 年 2 月 22 日，由詹姆斯·卡梅隆（James Cameron）担当编剧和制片、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器假肢的少女，被一位表面上是年夜夫、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终极以电影的形态呈现在不雅观众面前，但对付这个出身于 1990 年的日本漫画 IP 不是太熟习的人来说，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出身于 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、身体完备机器化的女主人公，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创造自我的道路。

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公民群众喜闻乐见的未来科技高度发达的工业化产物呈现，比较于素子背后拥有强大的公共资源制造并掩护自己的身体，阿丽塔则显得更为“草根”：被 Dyson Ido 年夜夫从“天空城”排出的工业垃圾中“捡尸”，然后回家装上一套 DIY 的机器身体。

看过这两部电影的不雅观众不难创造，影片一大主题便是在保存了人类大脑、全身机器化的情形下，主角们对付意识、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伟大话题，本文并不想着墨过多。
但如果一定要以“硬科技”的视角去核阅科幻电影，每每能创造一些不一样的看点。

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随意马虎让人接管，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，乃至有人评论，正是由于当时人类在科技上的想象力有限，以是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”，物质天下与信息天下对付素子来说，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。

反不雅观《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备“义体化”，到后来有时创造 URM（火星共和国）坠毁战舰中用失落传科技打造的“狂战士”机甲，再到末了彻底觉醒长出“天使之翼”（电影中并未涌现）。
比较值得玩味的该当算电影中涌现的用于打造“狂战士”机甲的纳米技能，不仅具有与主人身体神经完备匹配的功能，还能快速自愈，彷佛能看到钢铁侠“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”去重新创造自我，科技树点的不一样，天下不雅观加成不一样，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》中最主要的元素，电影中充斥着大量由殊效制作而成的机器假肢，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。
以是有很多不雅观众不禁会惊叹这些假肢的神奇和美妙，然而它们并非科幻，在现实的天下中，早就有了类似的产物。

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，目前来看市情上普遍将掌握方法分为两种：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色掌握智能假肢。

脑控智能假肢很好理解，每昔时夜脑主动掌握身体去实行某个动作时都会开释出的 EEG、脑磁（Magnetoencephalography ,MEG）、代谢等旗子暗记。
这些旗子暗记虽然微弱，但是随着当代技能的提升，它们已经可以被采集并且识别。

图：MEG 旗子暗记的产生过程（来源：华盛顿大学）

当然，虽然技能上可以实现，但是对付商业落地来说，只须要利用个中的一个旗子暗记便可以识别大脑的指示。
EEG 随意马虎采集、韶光分辨率高，是目前脑机接口设计的紧张选择。
不过 EEG 是范例的非平稳性旗子暗记，电压和频率身分在韶光上的分布无规律，且 EEG 强度只有微伏级，随意马虎受到外界电、磁旗子暗记，以及人体肌肉电旗子暗记的滋扰。
因此须要对其采取分外且繁芜的处理方法。

这也就意味着，同样是抬胳膊挪腿，每个人大脑所开释的 EEG 旗子暗记却是不同的。
于是就可以利用单边的肢体运动或者想象运动来激活紧张的觉得运动皮层，使大脑对侧产生事宜干系去同步电位 ERD（event-related desynchronization）。
这一过程在 EEG 旗子暗记上的表现为特定频率的节律性活动幅度的降落。
同侧产生事宜干系同步 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，然而仍旧须要佩戴者不断地练习，从而开释出更为明显的旗子暗记以方便捕捉。
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演出钢琴的壮举。
该企业创始人兼 CEO 韩璧丞曾得到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。
对付残疾人士来说，大脑知道其身体缺失落的肢体，但是其他位置并不会，仍旧会掌握肌肉动作，联动该已丢失的肢体。
比如小腿缺失落患者的大腿，在收到大脑掌握行动的旗子暗记往后，依然会“关照”小腿该起来干活了。

正是由于人体这样的特色，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管大腿发出的旗子暗记，终极实现代替小腿的功能。
但是这种假肢须要患者进行定向肌肉神经移植术（targeted muscle reinnervation），用于放大旗子暗记，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，直接依赖传感器吸收肌肉的电旗子暗记，以此对机器手臂做出反应。
不仅如此，Handiii 的智能假肢也能通过旗子暗记驱动手指枢纽关头，事理犹如上文提到的“大腿小腿”一样，人类指枢纽关头活动时，全体手臂都会开释出微弱的旗子暗记。

图：极具科幻感的 Handiii 智能假肢（来源：官网）

事实上对付智能假肢来说，无论是哪种旗子暗记的采集，都只能被称作是“条件条件”，真正能够仿照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办法：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、稠浊驱动系统。

如果考虑实际利用效果的话，普遍认为第二和第三种驱动方法是可行的。
气动驱动的缺陷非常明显：掌握不足精准、能量转换效率较低、噪声大、不便于携带等，因此抑制了其实际运用。

在电影《阿丽塔：战斗天使》中可以看到，所有的义体均为利用电机驱动。
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韶光呢？电影中给出的办理方案则是：反物质微型反应堆强化心脏。
Dyson 年夜夫乃至亲口见告阿丽塔，她的这颗心脏可以知足一座城市几年的能源需求。

和其他浩瀚科幻片一样，反物质是微型超高密度能源装置的“主流”办理方案之一，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”。
在当代科学的帮助下，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）

微能源紧张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家当，它的交叉性非常强，一些大型发电机不能够采取的构造，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。
但常日情形下，人类会采取电励磁同步发电机，励磁功率单元向同步发电机转子供应励磁电流，励磁调节器则根据输入旗子暗记和给定的调节准则掌握励磁功率单元的输出，终极完成发电。

但是与电励磁发电机比较，永磁电机具有构造大略、 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巧多样等优点。
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。
与常规的化学电池比较，盘式永磁微型发电机具有可长期储存、无需人为补充能量、易于掩护、污染小等诸多优点。

在不考虑材料破坏和环境能供给中断的条件下，这切实其实是一台永动机。
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，永磁构造的优点便荡然无存。

其余，振动式发电机也是微机电一个主要的发展方向。
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。

图丨各种情形的功率密度，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形下的太阳能的。
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形，缘故原由是会导致其他四组数值无法直不雅观地比拟。

机器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，可以运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，详细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构造上。
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仿照，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，但是他们采取了压电办法。
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）

其余，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 环球新兴科技峰会上，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征象，在材料表面增长分外的樊篱，防止摩擦产生的电荷回流到材料内部中去。
接下来只须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。

《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仇敌战斗，以及终极找到了自己的出生原形，而机器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，相反他对个中的机器假肢、场景进行了放大，借助各种超强视觉效果的电影殊效见告不雅观众“这便是真的！
”

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，机器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，可能很难接管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。
波兰游戏开拓商 CD Project Red 在 2018 年 6 月揭橥了一款名为《赛博朋克 2077》的游戏预报，在这款游戏里，身上没有电子眼、机器臂等仿生设备的人们险些是异类般的存在。
只管《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办法除了人体自身的基因强化，另一条路便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，实在离我们的生活一点也不迢遥，有些产品乃至已经摆在了货架上了。
随着这些设备的技能含量提高和价格本钱的降落，未来 20 年内定能遍及市场。
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器，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贯探寻的终极命题了吧。